一項旨在證實量子理論的標誌性實驗的新版本，首次利用遙遠恆星的光來支援一種現象，阿爾伯特·愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”。
愛因斯坦不喜歡物體可以在任何空間距離上共享神秘聯絡的觀點，科學家們在過去 50 年裡一直在努力確保他們顯示這種量子效應的結果不是由更直觀的解釋引起的。
量子物理學認為，兩個所謂的糾纏粒子可以保持一種特殊的聯絡——即使在很遠的距離——這樣，如果測量其中一個粒子，就會立即告訴實驗者測量另一個粒子會顯示什麼。儘管事實上，在測量之前，兩個粒子都沒有確定的屬性。這讓包括愛因斯坦在內的一些物理學家感到不安，他們傾向於另一種解釋：量子理論是不完整的，結果反而取決於一些預先確定的、但隱藏的變數。
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最新探索這種現象的努力，將於 2 月 7 日在《物理評論快報》上發表，它使用大約 600 年前恆星發出的光來選擇在被稱為貝爾測試的量子實驗中進行哪些測量。透過這樣做，他們縮小了歷史上隱藏變數（如果它們存在）可能影響實驗的時間點。
“這是一個漂亮的實驗，”馬里蘭州蓋瑟斯堡美國國家標準與技術研究院 (NIST) 的量子物理學家克里斯托·沙爾姆說。儘管很少有人期望它會反駁量子力學，但這樣的實驗“不斷推動替代理論變得越來越牽強和荒謬”，他說。他補充說，類似的技術將來可能有助於防止試圖破解量子密碼系統的駭客。
彌補漏洞
維也納大學的物理學家與中國、德國和美國的同事一起，開發了新版本的貝爾測試——這是物理學家約翰·貝爾在 1960 年代設計的一種協議，用於區分對量子世界看似奇怪的行為的兩種可能解釋。
該測試涉及對分離的成對糾纏量子粒子進行獨立測量。貝爾表明，統計上，一旦結果之間的相關性超過某個閾值限制，就不能用粒子具有隱藏屬性來解釋。相反，協調一致的結果似乎是對一個粒子進行測量，神秘地確定了另一個粒子的屬性的結果。
儘管貝爾測試已經多次支援量子理論，但它們包含一些假設，為非量子解釋留下了迴旋餘地，物理學家一直在努力彌補這些“漏洞”。
2015 年，當包括沙爾姆的團隊在內的三個獨立團隊成功地同時彌補了兩個主要可能的漏洞，透過證明糾纏不可能是任何粒子之間光速通訊產生的幻覺，也不是僅檢測某些光子的偽影，他們取得了一場重大勝利。
自由選擇
但他們留下了一個更微妙且不可能完全彌補的漏洞，最新論文的合著者、馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學院的天文學家安德魯·弗裡德曼說。貝爾測試還假設實驗者可以自由選擇對每對光子進行哪些測量。但是，某些未知的效應可能會影響粒子和執行的測試（要麼直接影響測量的選擇，要麼更有可能限制可用的選項），從而產生相關性，從而產生糾纏的錯覺。
為了縮小這種自由選擇漏洞，研究人員先前在糾纏粒子的來源和他們用來選擇實驗設定的隨機數生成器之間放置了 144 公里5。它們之間的距離意味著，如果任何未知的過程影響了兩個設定，它必須在實驗之前的時間點完成。但這隻排除了在之前的微秒內的任何影響：最新的論文試圖透過使用來自兩顆遙遠恆星的光來確定每個光子的實驗設定，從而大大縮短這個時間。“我們將選擇外包給宇宙本身，”弗裡德曼說。
該團隊由維也納大學的物理學家安東·蔡林格領導，根據其兩個望遠鏡是否檢測到傳入的光為藍色或紅色，選擇觀察糾纏光子的哪些特性。顏色是在光發射時決定的，並且在傳播過程中不會改變。這意味著，如果不是量子糾纏，而是某些未知的影響解釋了相關性，那麼它必須在至少大約 600 年前開始，因為最近的恆星在 575 光年（176 秒差距）之外，弗裡德曼說，他希望最終將這個極限推回到數十億年前，方法是使用來自更遙遠類星體的光進行實驗。他們的結果發現了一種支援“超距作用”的相關性水平。
防止駭客攻擊
荷蘭代爾夫特理工大學的量子物理學家羅納德·漢森說，從技術上講，該實驗令人印象深刻。但是，與 2015 年彌補的漏洞不同，這個漏洞永遠無法完全彌補；僅透過做出新的假設才能將其限制在更遠的過去——例如，在這種情況下，假設在光子擊中望遠鏡之前沒有人立即對它們進行干擾，他說。
其他人認為，儘管從根本上講，這個漏洞永遠無法彌補，但這樣的實驗是有價值的，因為新的理論必然會變得更加不可能和牽強，或者最終，最終假設宇宙中的一切都是在大爆炸時確定的——這種哲學觀點大多數物理學家都拒絕。因此，修改實驗以減少並做出更好的假設是值得的，沙爾姆說。
弗裡德曼認為，這樣的實驗也具有實際價值，因為如果量子力學最終被不同的基本理論解釋，那麼這一發現可能會影響依賴量子理論的技術（如量子加密）的安全性。試圖彌補這些漏洞是有用的，因為最小化實驗中的假設也有助於加強對可能利用它們的駭客的保護，沙爾姆說，他在 NIST 的團隊正在探索貝爾測試是否可用於量子密碼學。
利用宇宙現象並不是物理學家確保其測量設定獨立性的唯一方法。11 月，來自世界各地的團隊參加了大型貝爾測試，該測試利用全球 100,000 名遊戲志願者建立 0 和 1 的隨機序列，物理學家使用這些序列來確定他們的測量設定。
西班牙巴塞羅那光子科學研究所 (ICFO) 的摩根·米切爾表示，初步分析表明，在這種情況下，大多數——甚至可能所有——實驗再次支援了量子力學，該研究所協調了這項活動。“對不起，愛因斯坦，”他說。
本文經授權轉載，並於2017 年 2 月 2 日首次發表。