首次在超导量子电路中实现贝尔不等式违背

由苏黎世联邦理工学院主导的多国合作研究团队利用超导电路，演示了一个无漏洞的贝尔实验。通过表明相距遥远的量子力学对象之间可以存在比传统系统中更强的关联，为反驳爱因斯坦“定域实在论”概念提供了进一步的证实。该实验的特别之处在于，研究人员首次使用超导电路来实现，而超导电路被认为是构建量子计算机的有潜力的候选物理体系。该成果于5月10日发表在《自然》杂志上。

© Nature

研究论文以《超导电路的无漏洞贝尔不等式违反(Loophole-free Bell inequality violation with superconducting circuits)》为题

发表于《自然》杂志

为了探索传统的因果关系概念是否适用于原子微观世界，英国物理学家约翰-贝尔在20世纪60年代提出同时对两个纠缠的粒子进行随机测量，并根据贝尔不等式进行检验，即贝尔实验。

若局域因果关系的概念正确，这些实验将总是满足贝尔不等式（即S≤2）；相比之下，量子力学则预言能够存在违背贝尔不等式的情况（S_max=2√2）。第一次现实的贝尔实验在20世纪70年代初实现，但该实验是建立在一系列假设上的，还存在一些可能的漏洞。

随着时间的推移，越来越多的漏洞被关闭，包括我国团队在内的多个研究团队成功地同时关闭了两类主要漏洞，局域漏洞和探测漏洞的贝尔不等式检验。2022年，Alain Aspect, John Clauser和Anton Zeilinger因在“纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学”方面所作出的贡献获授诺贝尔物理学奖。

为了在超导量子电路上实现贝尔实验，研究团队需克服的一个难点在于实验装置。为使贝尔测试真的没有漏洞，就必须确保在量子测量完成之前两个纠缠的电路之间没有任何信息交换。由于信息传输的最快速度是光速，所以测量的时间必须少于以光速从一个电路到另一个电路的时间。

因此，在实验中，两个超导电路之间的距离越大，可用于测量的时间就越长，但这样实验设置也越复杂，因为整个实验必须在接近绝对零度的真空中进行。

两个超导电路之间30米长的量子连接的部分截图

真空管（中心）包含一个微波波导

它被冷却到大约-273℃

连接着两个量子电路

为此，该团队在校园的地下通道中建造了实验装置，即一个30米长的管子，两端分别是一个包含超导电路的低温箱，整体内部的温度略高于绝对零度。每次测量开始之前，一个微波光子从两个超导电路中的一个传输到另一个，这样两个电路就会发生纠缠，之后再用随机数发生器决定对两个电路进行哪些测量，并对两边的测量结果进行比较。在评估了超过一百万次的测量结果后，研究人员发现平均S值为2.0747 ± 0.0033，证明了贝尔不等式的违背。

该论文的通讯作者，苏黎世联邦理工学院Andreas Wallraff教授提到，建造该设施和进行实验是一个挑战：仅仅将整个实验装置冷却到接近绝对零度的温度就需要相当大的努力。“我们的机器里有1.3吨铜和14000个螺丝，需要大量的物理知识和工程技术，”Wallraff教授说。他认为，原则上有可能以同样的方式建造克服更远距离的设施。例如，这项技术可以用来在很远的距离上连接超导量子计算机。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05885-0 

报道链接：

https://phys.org/news/2023-05-entangled-quantum-circuits-einstein-concept.html

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