撰文 | 施  郁（復(fù)旦大學物理學系教授）

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2016年11月30日，一個叫做“大貝爾測試”（The Big Bell Test）的實驗項目在全球五個洲的12個實驗室進行。在全球各地大約10萬名志愿者的幫助下，這些實驗室在12個小時內(nèi)做了13個貝爾實驗，其中一個是中國科學技術(shù)大學上海研究院潘建偉教授領(lǐng)導(dǎo)的光子偏振實驗。

本周三，2018年5月9日，Nature雜志發(fā)表了這13個貝爾實驗的結(jié)果[1]，顯示定域?qū)嵲谡撛谟泄庾?、單原子、原子系綜與超導(dǎo)器件等系統(tǒng)中被違反。這一工作代表了對量子力學基本理論的檢驗又前進了一步。 

自上世紀二十年代以來，量子力學成為整個微觀物理學的基本理論框架，并且取得了巨大的成功。量子力學以前已經(jīng)建立的物理學框架被稱作經(jīng)典物理。量子力學的數(shù)學工具并不比經(jīng)典物理的更復(fù)雜，但是量子力學的概念框架與之截然不同，以致于玻爾說：“沒被量子理論震撼就沒懂?！痹谌祟愃枷胧飞希孔恿W即使不是最重大的革命，也是最重大的革命之一[2]。

1935年，愛因斯坦、波多爾斯基（Boris Podolsky）和羅森（Nathan Rosen）以所謂的定域?qū)嵲谡?span style="color: rgb(136, 136, 136);">（即定域性和實在論共同成立）為前提假設(shè)，討論了相距很遠的處于量子糾纏態(tài)的兩個粒子。定域性是指，在某處的測量不會影響到遙遠的地方。這里的實在論是指觀測量在被觀測之前就已經(jīng)確定了。愛因斯坦等人提出量子力學不完備，除了量子力學中的量子態(tài)之外，物理系統(tǒng)還存在額外的變量。后來人們將這些額外的變量稱作隱變量，它們代表了上面說的實在論。如果一個代替量子力學的理論包含隱變量，它就叫作隱變量理論。如果這個理論還滿足定域性，就叫定域隱變量理論。

1964年，貝爾（John Bell）發(fā)表了一個不等式，是定域隱變量理論都應(yīng)該滿足的不等式。后來所有這一類的不等式都叫作貝爾不等式。最簡單的情況是關(guān)于兩個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)由一個觀察者對之進行測量。用定域隱變量理論計算各種測量結(jié)果的關(guān)聯(lián)，結(jié)果滿足貝爾不等式。在量子力學中，如果這兩個子系統(tǒng)用某些量子糾纏態(tài)描述，那么根據(jù)量子力學計算的結(jié)果是違反貝爾不等式的。也就是說，量子力學與定域?qū)嵲谡撌敲艿摹?/p>

貝爾不等式將原來帶有形而上學味道的討論轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢杂脤嶒灦繘Q定的非此即彼的判定。檢驗大自然是否滿足貝爾不等式的實驗叫作貝爾測試。作貝爾測試需要使用分居兩地又處于量子糾纏態(tài)的子系統(tǒng)，迅速高效的探測，以及事先不可預(yù)測的對于測量裝置的安排。后來歷史上的里程碑主要是，1972年克勞瑟（John Clauser）等人的實驗和1981年阿斯貝克特（Alain Aspect）等人的實驗，這些實驗以及后來的很多貝爾測試實驗都判定量子力學勝利，定域?qū)嵲谡撌?。這些工作中還存在技術(shù)性漏洞，如在探測器效率或定域性的確保上，但是一般認為，在2015年的幾個實驗中補上了。

貝爾不等式是關(guān)于兩個子系統(tǒng)的各種測量結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)，涉及測量裝置的幾種不同設(shè)置，比如測量的方向。這在貝爾不等式的推導(dǎo)中是完全自由的，與隱變量無關(guān)。在貝爾測試中，需要自由隨機選擇這幾個不同設(shè)置。在所有以前的實驗中，都是由儀器來隨機選擇實驗裝置的安排。這是不理想的，因為萬一這些儀器所作的選擇本身就是由隱變量決定的呢？這叫做“自由選擇漏洞”。貝爾曾提出可以用人的自由選擇來保證實驗裝置的安排的不可預(yù)測性。但是當時的技術(shù)做不到。

“用人的選擇挑戰(zhàn)定域?qū)嵲谡摗彼鶊髮?dǎo)的“大貝爾測試”就是這樣的實驗，補上了這個“自由選擇漏洞”。這些實驗中所作的選擇都是來自全球各地的約10萬個志愿者。2016年11月30日的12小時內(nèi)，這些志愿者通過一個網(wǎng)絡(luò)游戲“the BIG Bell Quest”，每秒產(chǎn)生1000比特數(shù)據(jù)，總共產(chǎn)生了97347490比特數(shù)據(jù)。每個比特是0或1，被用于對實驗中所作選擇的指令。不同的實驗采用不同的數(shù)據(jù)。參加游戲的志愿者被要求在一定時間內(nèi)輸入一定的隨機比特。有個機器學習算法會根據(jù)已輸入的比特，提醒志愿者避免可預(yù)測性，但是對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不作選擇。

依據(jù)這些志愿者無規(guī)提供的數(shù)據(jù)來安排測量裝置，13個在不同系統(tǒng)的貝爾測試的結(jié)果表明了定域?qū)嵲谡撛谶@些系統(tǒng)中被違反。

在這個實驗之前，利用網(wǎng)絡(luò)游戲召集志愿者參與實驗已經(jīng)出現(xiàn)在蛋白質(zhì)與RNA折疊、神經(jīng)元映像以及量子計算中的優(yōu)化問題。還有人建議召集世界各地的人用手機測宇宙線。這些都可以叫作全民科研（citizen science），是互聯(lián)網(wǎng)帶來的新的科研方法。

參考文獻：

1. The BIG Bell Test Collaboration, Challenging local realism with human choices, 

Nature 557, 212–216 (2018). http://nature.com/articles/doi:10.1038/s41586-018-0085-3

2. 施郁，繼續(xù)量子科學革命，光明日報，2017 年 05 月 25 日 13 版.

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