對於阿爾伯特·愛因斯坦和駭客來說，這都是糟糕的一天。有史以來對量子理論進行的最嚴格的檢驗證實了德國物理學家著名地憎恨的“幽靈般的超距作用”——即操縱一個物體似乎瞬間影響到另一個遙遠的物體——是量子世界固有的組成部分。
一些物理學家說，在荷蘭進行的這項實驗可能是對原子世界模型的最後致命一擊，這些模型比標準量子力學更直觀。它也可能使量子工程師能夠開發一套新的超安全密碼裝置。
瑞士日內瓦大學的量子物理學家尼古拉斯·吉辛說：“從根本的角度來看，這真是一項具有歷史意義的成就。”
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愛因斯坦的惱怒
在量子力學中，物體可以同時處於多種狀態：例如，一個原子可以同時位於兩個位置，或沿相反方向旋轉。測量一個物體會迫使其突然進入一個明確定義的狀態。此外，不同物體的屬性可以變得“糾纏”，這意味著它們的狀態是相互關聯的：當測量其中一個物體的屬性時，其所有糾纏雙胞胎的屬性也會被確定。
這個想法讓愛因斯坦感到惱火，因為似乎這種幽靈般的影響會在即使是遠距離分離但糾纏的粒子之間瞬間傳播——這意味著它可能違反沒有什麼能比光速更快的普遍規則。他提出，量子粒子在被測量之前確實具有確定的屬性，稱為隱變數。即使這些變數無法訪問，他也暗示它們預先設定了糾纏粒子的行為方式，使它們以相關的方式表現。
在 20 世紀 60 年代，愛爾蘭物理學家約翰·貝爾提出了一個測試，可以區分愛因斯坦的隱變數和量子力學的詭異解釋。他計算出，隱變數只能解釋一定最大限度的相關性。如果超過這個水平，那麼愛因斯坦的模型一定是錯誤的。
第一次貝爾測試是在 1981 年由阿蘭·阿斯佩的團隊在法國帕萊索光學研究所進行的。此後進行了更多次測試，結果始終支援詭異性——但每次實驗都有漏洞，這意味著物理學家從未能夠完全關閉愛因斯坦觀點的門。使用糾纏光子的實驗容易出現“探測漏洞”：並非實驗中產生的所有光子都被探測到，有時多達 80% 的光子會丟失。因此，實驗者必須假設他們捕獲的光子的屬性代表了整個集合。
為了繞過探測漏洞，物理學家通常使用比光子更容易追蹤的粒子，例如原子。但是，在不破壞其糾纏的情況下分離遙遠的原子是很困難的。這就打開了“通訊漏洞”：如果糾纏原子靠得太近，那麼原則上，對一個原子進行的測量可能會影響另一個原子，而不會違反光速限制。
糾纏交換
在最新的論文中，該論文於 8 月 24 日提交給 arXiv 預印本庫，尚未經過同行評審，由代爾夫特理工大學的羅納德·漢森領導的團隊報告了首次同時關閉探測漏洞和通訊漏洞的貝爾實驗。該團隊使用了一種稱為糾纏交換的巧妙技術，結合了使用光和物質的優點。研究人員首先使用了兩個未糾纏的電子，它們位於代爾夫特校區不同實驗室的金剛石晶體中，相距 1.3 公里。每個電子都與一個光子單獨糾纏，然後這兩個光子都被壓縮到第三個位置。在那裡，這兩個光子彼此糾纏——這導致它們的夥伴電子也變得糾纏。
這並非每次都奏效。總共，該團隊在九天的時間裡成功生成了 245 對糾纏電子對。該團隊的測量結果超過了貝爾極限，再次支援了標準量子觀點。此外，該實驗同時關閉了兩個漏洞：由於電子易於監控，探測漏洞不是問題，而且它們之間的距離足夠遠，也關閉了通訊漏洞。
維也納量子科學與技術中心的物理學家安東·塞林格說：“這是一個真正巧妙而美麗的實驗。”
加拿大安大略省滑鐵盧圓周理論物理研究所的量子物理學家馬修·萊弗說：“如果未來幾年我們看到這篇論文的作者之一，以及一些較早的實驗，阿斯佩和其他人的名字出現在諾貝爾獎名單上，我不會感到驚訝。” “這太令人興奮了。”
萊弗說，無漏洞的貝爾測試對於量子密碼學也具有至關重要的意義。公司已經銷售使用量子力學來阻止竊聽者的系統。這些系統產生糾纏光子對，將每對光子中的一個光子傳送給第一個使用者，另一個光子傳送給第二個使用者。然後，兩個使用者將這些光子轉換為只有他們知道的密碼金鑰。由於觀察量子系統會擾亂其屬性，如果有人試圖竊聽此過程，它將產生明顯的效應，從而發出警報。
最後的缺口
但是漏洞，特別是探測漏洞，為老練的竊聽者敞開了大門。透過這個漏洞，惡意公司可以銷售欺騙使用者的裝置，讓他們認為自己獲得了量子糾纏粒子，而實際上他們得到的卻是該公司可以用來監視他們的金鑰。1991 年，量子物理學家阿圖爾·埃克特觀察到，將貝爾測試整合到密碼系統也能夠確保該系統使用真正的量子過程。然而，為了使這有效，貝爾測試必須沒有任何駭客可以利用的漏洞。塞林格說，代爾夫特實驗“是量子密碼學可以無條件安全的最終證明”。
然而，在實踐中，糾纏交換的想法將難以實現。量子密碼公司 ID Quantique 在日內瓦的聯合創始人吉辛指出，該團隊花了一個多星期的時間才生成了數百對糾纏電子對，而生成量子金鑰將需要每分鐘處理數千位元的資料。
塞林格還指出，仍然存在最後一個，有點哲學意味的漏洞，貝爾本人首先指出了這一點：隱變數有可能以某種方式操縱實驗者對測量屬性的選擇，從而欺騙他們認為量子理論是正確的。
然而，萊弗不太擔心這種“自由選擇漏洞”。他說：“可能是存在某種超決定論，因此測量設定的選擇是在宇宙大爆炸時決定的。” “我們永遠無法證明情況並非如此，所以我認為可以公平地說，大多數物理學家不太擔心這個問題。”
本文經許可轉載，首次發表於 2015 年 8 月 27 日。