9778818威尼斯官网:爱因Stan和玻尔的百多年争论,

11月30日,包括中国科技大学在内的全球多个科研机构正联合进行一场旨在证实量子力学正确性的“大贝尔实验”。据称,这是全球首次以人类随机性为基础的量子实验。科学家们号召全球普通大众参与,为实验贡献数据。

专业解读:爱因斯坦和玻尔的世纪争论,在中国的“墨子号”量子星上得到检验

对量子物理感兴趣的读者可能还记得2016年11月30日的一场趣味科学盛会:大贝尔实验。该实验邀请全球范围的大量志愿者共同参与证伪贝尔不等式,打破爱因斯坦对量子物理的终极质疑。

万人挑战量子物理全球大实验 结果出来了

想知道你的随机性会如何促进科学进步吗?一个独特的全球项目将通过基于人类随机选择的一系列科学实验来测试物理学定律。

据介绍,公众可以在北京时间11月29日晚9时至12月1日14时59分期间,通过“大贝尔实验”官方网站thebigbelltest.org或者中国区官网tbbt.ustc.edu.cn上注册并进行一个简单的视频游戏进而产生随机、不可预知的由0和1组成的随机数来决定实验中的重要参数,进而为实验提供支持。

爱因斯坦和玻尔留给后人的世纪谜题量子力学建立初期,“纠缠”这个现象就引起了所有物理学家的好奇,爱因斯坦将其称之为“遥远地点之间的诡异互动”。量子力学中的所谓纠缠是这样一种现象:两个处于纠缠态的粒子可以保持一种特殊的关联状态,两个粒子的状态原本都未知,但只要测量其中一个粒子,就能立即知道另外一个粒子的状态,哪怕它们之间相隔遥远的距离。过去的大半个世纪里,这种现象背后的本质一直深深困惑着科学家们。上世纪,关于纠缠现象的看法将物理学家划分成了两派:以玻尔为代表的哥本哈根学派认为,对于微观的量子世界,所谓的“实在”只有和观测手段连起来讲才有意义;但爱因斯坦等科学家无法接受这种观点,他们认为量子力学是不完备的,测量结果一定受到了某种“隐变量”的预先决定,只是我们没能探测到它。1935年,爱因斯坦和Podolsky及Rosen一起发表了一篇题为Can quantum mechanics description of physical reality be consideredcomplete的文章,论证量子力学的不完备性,通常人们将他们的论证称为EPR佯谬或者Einstein定域实在论。玻尔和爱因斯坦为此争论了50年,直到他们最后去世问题也没有得到解决,一直吸引着后人想要去验证。如何验证呢?说到定域实在论,其实包含了两方面的含义:第一,物理实在论:任何一可观测的物理量必定客观上以确定方式存在,如果没有外界扰动,可观测的物理量应具有确定的数值;第二,定域因果性:如果两个事件之间的四维时空是类空间隔的,则两个事件不存在因果关系。基于这个理解,1964年,爱尔兰物理学家贝尔提出了著名的“贝尔不等式”,该定理对于两个分隔的粒子同时被测量时其结果的可能关联程度建立了一个严格的限制[1]。如果实验上贝尔不等式不成立,则意味着从定域实在论出发的预期不符合量子力学理论,也就是说,量子世界本身就是概率性的。一直以来,人们设计了各种实验方案验证贝尔不等式正确与否,陆陆续续地,一些实验小组的结果倾向于支持贝尔不等式的破坏——即证明了量子力学的正确性。第一个真正确定性的实验是由法国物理学家阿斯派克特做出的,他们在上世纪七十年代做出的三个实验给出了量子力学非定域性的明确结论,但是最初的这些实验验证仍然存在漏洞。近年来不同国家的实验小组都尝试在实验中逐步关闭了局域漏洞、自由选择漏洞和探测效率漏洞,所有的实验结果都支持量子力学的结论,证明定域实在论是错误的。Bell不等式走出实验室,飞向更远处Bell不等式的破坏在实验室被验证,那么在更大的尺度上情况又如何呢?如果人们能在更远的距离验证量子纠缠的存在,也就意味着在更大的空间尺度上验证量子力学的正确性。于是,人们想要带Bell不等式往更远的地方飞去。但是在更大尺度上进行实验,存在一个拦路虎——衰减。这是什么意思呢?在实际实验中,人们常常用一种叫做“量子纠缠分发”的实验验证Bell不等式,它是把制备好的两个纠缠粒子分别发送到相距很远的两个点,通过观察两个点的测量结果是否符合贝尔不等式来验证量子力学和定域实在论孰对孰非。由于制备和发送的是一对对单光子,量子的不可复制性又决定了单光子的信号是不可放大的,光纤固有的光子损耗导致光量子传输很难向更远距离拓展。在地球表面,百公里级别的量子纠缠分发几乎已经是极限。怎么办呢?有两种方案,一种是利用量子中继,一个个中继站就有点像古时候的驿站,一段段地传递光子,但是目前来说量子中继的研究还是受到了量子存储的时间和效率限制;另一个方案就是利用卫星实现量子纠缠分发,外太空的真空环境对光的传输几乎不存在衰减和退相干效应。星地间的自由空间信道损耗小,甚至理论上,利用卫星,科学家们可以在地球上的任意两点之间建立起量子信道,有可能在全球尺度上实现超远距离的量子纠缠分发。可喜的是,这方面,中国人走在了世界前列。早在2003年,中国的潘建伟团队就提出了利用卫星实现远距离量子纠缠分发的方案,并开始了初步验证。团队的研究人员认为,要想证明卫星实现量子纠缠分发这事可行,就必须要证明光子能在穿透大气层后仍保持相干性,于是,他们开始在合肥大蜀山做实验。这个实验里,发送方在大蜀山,两个接收点分别在几公里之外的肥西农户家和中科大西校区。实验在国际上首次实现了水平距离13公里(大气层垂直厚度约为5-10公里)的自由空间双向量子纠缠分发,证明了在经过远距离大气信道传输之后纠缠态仍能“存活”,另一方面,这个传输距离超过了大气层的等效厚度,证实了远距离自由空间量子通信的可行性。

9778818威尼斯官网,志愿者要做的事其实非常简单:在过关游戏中快速随机地按下“0”或者“1”,这些随机数随后被分配给全球9个研究机构进行实验,其中包括中国科学技术大学的潘建伟团队。

对量子物理感兴趣的读者可能还记得2016年11月30日的一场趣味科学盛会:大贝尔实验。该实验邀请全球范围的大量志愿者共同参与证伪贝尔不等式,打破爱因斯坦对量子物理的终极质疑。

大贝尔实验是在ICFO(西班牙光子科学研究所)协调下进行的一个全球性的项目,计划于11月30日当天在世界多个实验室同时进行一系列量子物理实验。你在实验中表现得越随机越接近实验目标。

据参与“大贝尔实验”研究的中国科技大学科学家介绍,这里的“大”,指的是在全世界范围内动员大量的志愿者参与贝尔实验。为了产生足够的随机数,该实验需要至少3万人参与游戏,参与的人越多,实验的准确性也将越高。

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为什么要选择“人肉”生成随机数呢?原来,传统的贝尔实验遭受“自由意志漏洞”的诟病。吹毛求疵的科学家们总担心实验过程不是真正的随机,冥冥之中受到某种上帝般的预设条件控制。大贝尔实验的思路是相信人类拥有真正的自由意志,即使“上帝”真的存在,成千上万个自由意志选择的随机数也足以发动一场令预设网络瘫痪的DDoS攻击。

志愿者要做的事其实非常简单:在过关游戏中快速随机地按下“0”或者“1”,这些随机数随后被分配给全球9个研究机构进行实验,其中包括中国科学技术大学的潘建伟团队。

实验源自贝尔不等式无漏洞检验

什么是“大贝尔实验”

北京时间5月10日凌晨1时,实验结果以论文的形式在世界顶级学术期刊《自然》上发表。实验共吸引了越10万名志愿者参与,在12小时内持续产生每秒逾1000比特的数据流。这些随机数被用于13个不同的贝尔实验上,有些通过光子纠缠进行,还有些通过原子系统或超导设备。大部分实验结果强有力地证伪了爱因斯坦的定域实在论,符合量子力学理论。

为什么要选择“人肉”生成随机数呢?原来,传统的贝尔实验遭受“自由意志漏洞”的诟病。吹毛求疵的科学家们总担心实验过程不是真正的随机,冥冥之中受到某种上帝般的预设条件控制。大贝尔实验的思路是相信人类拥有真正的自由意志,即使“上帝”真的存在,成千上万个自由意志选择的随机数也足以发动一场令预设网络瘫痪的DDoS攻击。

这个设想起始于ICFO对2015年无漏洞贝尔不等式验证实验的贡献。该实验要求密切关注随机参数的性质及其在实验中起到的作用。ICFO采用了物理的随机数发生器,它能很快地产生非常纯粹的随机数。这些实验启发了使用互联网技术进行大规模人工驱动实验的设想。如物理学家摩根·米切尔教授所说:“有些物理学的深刻奥秘只能通过向自然提出不可预知的问题来研究。通俗地说,如果自然知道我们要问什么,它或许会用事先准备好的回应来欺骗我们。通常科学家们不会那么多疑,然而量子物理的有些预言是如此诡异,当我们不在观察时,那些观察对象表现完全不同——使得这种多疑是完全适当,甚至是必要的。在此背景下,做出自主选择的人类是非常有价值的。”

大贝尔实验是在ICFO(西班牙光子科学研究所)协调下进行的一个全球性的项目,计划于11月30日当天在世界多个实验室同时进行一系列量子物理实验。

10万个普通人,是如何成功挑战爱因斯坦的呢?

北京时间5月10日凌晨1时,实验结果以论文的形式在世界顶级学术期刊《自然》上发表。实验共吸引了约10万名志愿者参与,在12小时内持续产生每秒逾1000比特的数据流。这些随机数被用于13个不同的贝尔实验上,有些通过光子纠缠进行,还有些通过原子系统或超导设备。大部分实验结果强有力地证伪了爱因斯坦的定域实在论,符合量子力学理论。

九个机构分别测量,三万人参与实验

“大贝尔实验”的九个参与机构分别使用了光子、原子、超导等不同的体系进行实验。参与的实验室均利用公众产生的随机数在各自的实验室分别进行贝尔实验,进行各实验室最擅长的研究。

“远程闹鬼”与爱因斯坦定域实在论

10万个普通人,是如何成功挑战爱因斯坦的呢?

11月30日,九个实验将由中国科学技术大学、奥地利量子光学和量子信息研究所等当今量子理论研究处于领先地位的九个合作机构分别进行。这些实验将观测包括纠缠粒子性质的诸多物理现象。中科大是唯一代表亚洲的实验机构。

中国科学技术大学的潘建伟教授和张强教授是“大贝尔实验”中国区的负责人,他们的实验室利用接收到的由人类自由意志所产生的随机数进行贝尔实验,并测试随机数之间的关联。

科学家们在量子力学的世界中,发现了许多奇妙的现象,比如叠加态。一个光子可以同时处于水平偏振和垂直偏振两个状态的叠加,而一旦对该光子的状态进行测量,它就会随机坍缩到其中一种状态。

“远程闹鬼”与爱因斯坦定域实在论

ICFO的博士生卡洛斯·艾威亚是该项目的创始人,他设计了把数据传输到各实验组的平台。为了该实验项目顺利进行,11月30日当天需要至少30000人的参与。“当天,全世界各地的参与者需要打开一个专门设计的网页游戏,可以在大贝尔实验官网上找到。参与者需要输入一个尽可能随机的包含0与1的数列。这些比特流将被实时传送到各地的量子物理实验室中,科学家将利用它们的不可预测性来对量子物体包括原子、光子、超导体进行测量。”中国科学技术大学副研究员刘洋说。

“大贝尔实验”的意义

爱因斯坦反感这种“上帝掷骰子”一般的解释,他认为,测量结果受到某种未知的“隐变量”的影响,被称为爱因斯坦定域实在论。

科学家们在量子力学的世界中,发现了许多奇妙的现象,比如叠加态。一个光子可以同时处于水平偏振和垂直偏振两个状态的叠加,而一旦对该光子的状态进行测量,它就会随机坍缩到其中一种状态。

中国的大贝尔实验团队

十九世纪初,在量子力学提出之后,分别以爱因斯坦和玻尔为代表的两个阵营便一直在争论量子力学是否仅仅是定域实在论存在隐变量时的一种不完备的表达方式。而1964年科学家约翰·贝尔提出了可以区分量子力学与定域实在论的测试方法,即贝尔不等式,并在随后的实验中证实了量子力学的正确性。

所谓定域,指的是信息传播的速度无法超过光速,一个位置的行动无法对其他位置产生瞬间影响;所谓实在论,指的是我们所观察到的现象都对应着物理实在的特性值,无论我们是否去观测。

爱因斯坦反感这种“上帝掷骰子”一般的解释,他认为,测量结果受到某种未知的“隐变量”的影响,被称为爱因斯坦定域实在论。

中国的大贝尔实验科研团队包括中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心潘建伟教授、张强教授、刘洋副研究员和清华大学马雄峰副教授等人。实验将在量子卓越中心进行。

据中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心副研究员刘洋介绍,“上世纪的实验中可能存在一些漏洞。例如由于时空关系可能造成的定域性漏洞与自由选择漏洞,由于实验装置传输效率导致的探测效率漏洞等。由于这些漏洞的存在,仅使用隐变量理论也可以得到与量子力学相同的实验结果”。

为了证明量子力学是一种不完备的理论,三个物理学家爱因斯坦、波多尔斯基和罗森假设了一种匪夷所思的实验,被称为EPR佯谬:

所谓定域,指的是信息传播的速度无法超过光速,一个位置的行动无法对其他位置产生瞬间影响;所谓实在论,指的是我们所观察到的现象都对应着物理实在的特性值,无论我们是否去观测。

潘建伟和张强是大贝尔实验中国区的负责人,他们的实验室利用接收到的自由意志产生的随机数进行大贝尔实验,测试随机数之间的关联。作为该实验的参与者,刘洋表示:“此前的诸多贝尔不等式实验分别关闭了定域性漏洞和探测效率漏洞等,但在这些实验中,使用的是物理方式产生的随机数。大贝尔实验则相信人的自由意志,由公众产生的随机数来决定实验中的重要参数,这系列实验是贝尔不等式测量的重要一步。在未来,物理学家有望利用太空实验关闭局域性漏洞和随机数漏洞,这将是在现有实验基础上经过长期努力才能进行的物理实验。”

为了更严谨地证明量子力学的正确性,科学家们需要考虑试验中可能存在的漏洞并予以避免。2015年,世界上有3个实验小组分别独立进行了无漏洞贝尔不等式实验。

处于纠缠态的两个光子A和B,不论相距多远都存在一种关联,其中光子A状态发生改变(比如人们对其进行观测),光子B的状态会瞬时发生相应改变。比方说,如果A的偏振态是“向上”的,B的偏振态必然是“向下”的。

为了证明量子力学是一种不完备的理论,三个物理学家爱因斯坦、波多尔斯基和罗森假设了一种匪夷所思的实验,被称为EPR佯谬:

(原载于《科技日报》 2016-11-29 01版)

“此前的诸多贝尔不等式实验分别关闭了定域性漏洞和探测效率漏洞等,但在这些实验中,使用的是物理方式产生的随机数。大贝尔实验则相信人的自由意志,由公众产生的随机数来决定实验中的重要参数,这系列实验是贝尔不等式测量的重要一步。在未来,物理学家有望利用太空实验关闭局域性漏洞和随机数漏洞,这将是在现有实验基础上经过长期努力才能进行的物理实验。”刘洋说。

用爱因斯坦本人的话来说,这简直是“远程闹鬼”。为此,他与另一位伟大的物理学家玻尔争论了半个世纪。

处于纠缠态的两个光子A和B,不论相距多远都存在一种关联,其中光子A状态发生改变(比如人们对其进行观测),光子B的状态会瞬时发生相应改变。比方说,如果A的偏振态是“向上”的,B的偏振态必然是“向下”的。

1964年,爱尔兰物理学家贝尔想出了一个方法可以作为爱因斯坦和玻尔之间的裁判——“贝尔不等式”,如果“隐变量”真的存在,同时测量两个分隔的粒子时,其结果的可能关联程度应该遵从某个严格的限制。如果测量结果显示贝尔不等式不成立,爱因斯坦对于定域实在论的执着就是错的。

用爱因斯坦本人的话来说,这简直是“远程闹鬼”。为此,他与另一位伟大的物理学家玻尔争论了半个世纪。

防止“隐变量”串通作弊

1964年,爱尔兰物理学家贝尔想出了一个方法可以作为爱因斯坦和玻尔之间的裁判——“贝尔不等式”,如果“隐变量”真的存在,同时测量两个分隔的粒子时,其结果的可能关联程度应该遵从某个严格的限制。如果测量结果显示贝尔不等式不成立,爱因斯坦对于定域实在论的执着就是错的。

9778818威尼斯官网:爱因Stan和玻尔的百多年争论,量子物农学家喊你来坚实验。后来的实验逐渐证明,“闹鬼”的量子纠缠并非只是匪夷所思的假设,而是真实存在的现象。但严格来说,距离太近的量子纠缠存在“局域性漏洞”,不足以证伪贝尔不等式。因为,两个光子之间可能“串通作弊”,通过某种不大于光速的通讯通道来传递彼此的状态信息。

防止“隐变量”串通作弊

9778818威尼斯官网:爱因Stan和玻尔的百多年争论,量子物农学家喊你来坚实验。2015年,荷兰Delft技术大学的科学家们完成了一个号称没有漏洞的实验,在两个距离1.3公里的金刚石色心系统间证伪了贝尔不等式。两个色心直接用光通讯所需时间大概4.27微秒,而完成一次实验的时间为4.18微秒,“串通作弊”的可能性完全被堵上了。

后来的实验逐渐证明,“闹鬼”的量子纠缠并非只是匪夷所思的假设,而是真实存在的现象。但严格来说,距离太近的量子纠缠存在“局域性漏洞”,不足以证伪贝尔不等式。因为,两个光子之间可能“串通作弊”,通过某种不大于光速的通讯通道来传递彼此的状态信息。

不过,挑剔的科学家们再次找到了一个新的漏洞:“自由意志漏洞”。这个漏洞的意思是:实验中要用多个随机数发生器产生许多随机数。然而,凭什么相信随机数发生器产生的就是真的随机数呢?又怎么保证这些随机数没有时间的关联呢?

2015年,荷兰Delft技术大学的科学家们完成了一个号称没有漏洞的实验,在两个距离1.3公里的金刚石色心系统间证伪了贝尔不等式。两个色心直接用光通讯所需时间大概4.27微秒,而完成一次实验的时间为4.18微秒,“串通作弊”的可能性完全被堵上了。

为此才有了全球招募志愿者的贝尔大实验,将量子力学的尊严交付给人类的自由意志。

不过,挑剔的科学家们再次找到了一个新的漏洞:“自由意志漏洞”。这个漏洞的意思是:实验中要用多个随机数发生器产生许多随机数。然而,凭什么相信随机数发生器产生的就是真的随机数呢?又怎么保证这些随机数没有时间的关联呢?

登月做贝尔实验

为此才有了全球招募志愿者的贝尔大实验,将量子力学的尊严交付给人类的自由意志。

有意思的是,这次贝尔大实验或许解决了“自由意志漏洞”,但“局域性漏洞”又回来了。这是因为,对于人类需要的反应时间而言,所有的参与者都在地球上,距离太近了。只有排除了任何不大于光速的“隐变量”,才能证明量子纠缠确实是“远程闹鬼”。

登月做贝尔实验

答案可能要去太空中寻找。

有意思的是,这次贝尔大实验或许解决了“自由意志漏洞”,但“局域性漏洞”又回来了。这是因为,对于人类需要的反应时间而言,所有的参与者都在地球上,距离太近了。只有排除了任何不大于光速的“隐变量”,才能证明量子纠缠确实是“远程闹鬼”。

潘建伟团队曾利用世界第一颗量子科学卫星“墨子号”,在星地之间创下了量子纠缠分发距离的记录,达到1200千米。下一步,他们计划将地月间量子纠缠作为中国登月工程的一环。

答案可能要去太空中寻找。

潘建伟的博士导师、国际量子物理学泰斗蔡林格(Anton Zeilinger)的选择则是遥远的星光。2017年,蔡林格使用两颗恒星发生的光的颜色作为随机数进行贝尔实验。这两颗恒星分别在600光年和1900光年之外。如果宇宙间真的有什么能影响量子纠缠的“隐变量”,那起码要在600年前就开始预谋。

潘建伟团队曾利用世界第一颗量子科学卫星“墨子号”,在星地之间创下了量子纠缠分发距离的记录,达到1200千米。下一步,他们计划将地月间量子纠缠作为中国登月工程的一环。

潘建伟的博士导师、国际量子物理学泰斗蔡林格(Anton Zeilinger)的选择则是遥远的星光。2017年,蔡林格使用两颗恒星发生的光的颜色作为随机数进行贝尔实验。这两颗恒星分别在600光年和1900光年之外。如果宇宙间真的有什么能影响量子纠缠的“隐变量”,那起码要在600年前就开始预谋。

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