在量子世界中，存在传统的因果性吗？

  古老的争论  

20世纪60年代，英国物理学家贝尔（John Bell）提出了一个著名的思想实验。他想要解决一个自上个世纪30年代就已经开始争论的问题：与日常直觉完全相悖的量子力学的预测，真的是正确的吗？还是说，正如爱因斯坦所相信的那样，传统的因果性概念，应该也适用于原子微观世界。

在贝尔设想的实验中，一个共同的来源S会将两个粒子分发给Alice和Bob。在接收到粒子后，Alice和Bob可以各自从几种测量设置中选择一种对接收到的粒子进行测量，然后记录下测量结果。重复多次后，实验便会产生一系列数据结果。接着，再根据贝尔不等式对测量结果进行检验。

贝尔不等式是由贝尔在1964年提出的，简单来说，如果爱因斯坦的定域因果性观点是正确的，那么实验结果将总是满足贝尔不等式；相反，量子力学的预测是，某些类型的实验结果将违反贝尔不等式。

  消除最后的疑虑  

过去，科学家已经进行了多次贝尔实验，都证明了量子力学的正确性。早在20世纪70年代早期，物理学家约翰·克劳瑟（John Clause）和斯图尔特·弗里德曼（Stuart Freedman）就进行了贝尔测试的第一次实测。他们在实验中证明贝尔不等式确实被违反了。

然而，他们的实验之所以得以进行，是因为他们在实验中做出一些假设。也就是说，他们的实验中含有一些漏洞。因此，从理论上讲，爱因斯坦对量子力学的质疑仍然有可能是正确的。

物理学家的目标就是填补这些漏洞。随着时间的推移，越来越多的漏洞被填补，并最终，在2015年，科学家成功地进行了第一次无漏洞的贝尔测试，为这场古老的争端画上了句点。

而在一项于近期发表在《自然》杂志上的研究表明，七年前，科学家只是初步平息了这场争端，对这一主题的研究尚未结束。而这项新的研究通过展示量子力学中的相距很远的物体可以比传统系统更紧密地相互关联，为量子力学的正确性提供了进一步的证实。

  寻求平衡  

这个实验的特别之处在于，研究人员首次使用超导电路来进行实验。他们表示，要使贝尔测试真正做到毫无漏洞，就必须确保在量子测量完成之前，两个纠缠的量子电路之间不能交换任何信息。由于信息传输的最快速度是光速，因此这意味着用于测量的时间必须少于光子从一个电路传输到另一个电路所花费的时间。

如此一来，研究人员需要付出很大的努力来构建一个复杂的、低温的实验装置。而且在设置实验时，他们必须找到“平衡”：两个超导电路之间的距离越大，用于测量的时间就越多，与此同时实验设置就越复杂。

研究人员创建了一个低温恒温器来有效地冷却30米长的量子连接。（图/ETH Zurich / Daniel Winkler）

他们发现，进行一次成功的无漏洞贝尔测试的最短距离约为33米，光子在真空中移动这个距离大约需要110纳秒，这一时间比研究人员进行测量的时间长几纳秒。

于是，他们在地下通道里建造了一个令人惊叹的实验装置。在装置的两端各有一个包含超导电路的低温恒温器，这两个冷却装置由一个长30米的管道连接，管道内部被冷却到刚好略高于绝对零度（- 273.15°C）的温度。

30米长的量子连接的一部分：一个被冷却到几乎绝对零度的铝波导，连接两个量子电路。（图/ETH Zurich / Daniel Winkler）

在每次测量开始之前，都会有一个微波光子从一个超导电路传输到另一个超导电路，这样两个电路就会纠缠在一起。然后，随机数生成器会决定在这两个电路上，将进行哪些测量作为贝尔测试的一部分。接下来，对两边的测量结果进行比较。

  大尺度的纠缠  

在进行了超过百万次的测量后，研究人员以非常高的统计确定性表明，贝尔不等式在这个实验装置中被违反了。他们发现，由超导材料制成的以微波频率工作的几百微米大小的超导电路，也是按照量子力学定律运行的，即使这些宏观量子物体比光子或离子等微观量子粒子要大得多。

换句话说，他们已经证实了量子力学也允许宏观电路中的非定域相关，因此超导电路可以在很远的距离上发生纠缠。这在分布式量子计算和量子密码学领域都开辟了有趣的潜在应用。

研究人员表示，他们进行的贝尔测试具有很大的实际意义。例如，新实验中的改进过的贝尔测试可以用于密码学，以证明信息实际上是以加密形式传输的。通过使用这种新的方法，研究人员可以比在其他实验装置中更有效地证明贝尔不等式被违反。

建造这项实验设施和进行测试是一个巨大的挑战。仅仅将整个实验装置冷却到接近绝对零度的温度就付出相当大的努力。在他们的设备中，有1.3吨铜和1.4万个螺丝，还有大量的物理知识和工程技术。研究人员认为，用同样的方式或许还可以建造出能够克服更大距离的实验装置。

#创作团队：

撰文：小雨

排版：雯雯

#参考来源：

https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2023/05/entangled-quantum-circuits.html

#图片来源：

本文经授权转载自微信公众号「原理」（ID：principia1687）

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