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大贝尔实验室:Challenging local realism with human choices

引子

今天为大家介绍一篇科学杂志《Nature》最近 (20180509) 刊登的大贝尔实验室(The Big Bell Test Collaboration)发表的一篇名为《Challenging local realism with human choices》的文章。这篇文章联合了世界上五大洲包括中国科学技术大学(USTC)潘建伟院士团队在内的12个实验室和数十万参与者,在2016年11月30日进行了13个Bell inequality Test的实验。下面我将从背景,目标,过程和结果四个方面为大家介绍这篇文章。

背景:

1935年 Einstein, etc. (EPR) 在一篇名为《Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete ?》的文章中讨论了量子力学是否完备的问题,也就是大家讨论的EPR悖论。EPR 认为物理世界是局域实在的(Local Realism),在1964年,Bell 在一篇名为《ON THE EINSTEIN PODOLSKY ROSEN PARADOX》的文章中对于这个问题进行了讨论,并根据EPR提出的 local realism的条件,提出了一个实验上可能实现的 Bell 不等式来检验量子力学是不是 Local realism 的。此后进行了很多的Bell 不等式的实验检验,如最近的 Simon2003Giustina2013Christensen2013Giustina2015Shalm2015Hensen2015Rosenfeld2017Tan2017, 《Challenging local realism with human choices》这篇文章也是一个Bell 不等式的实验检验,正如题目所说:用人类自由意志的选择来挑战局域实在性

注:Bell 不等式检验的部分知识也可以参看上一篇《‘究极’量子通讯协议:Device Indpendent Quantum Key Distribution(上)

目标

目前已经实验实现的很多Bell不等式检验的文章存在各种各样的实验漏洞(Loophole),德国Max Planck Institute of Quantum Optics ( MPQ) 的J.Kofler在2016年的一篇文章《Requirements for a loophole-free photonic Bell test using imperfect setting generator》中将这些Loophole可以总结为五个:

  1. The locality loophole
  2. The freedom-of-choice loophole
  3. The  fair-sampling (detection) loophole
  4. The coincidence-time loophole
  5. The  memory loophole

大贝尔实验室的这篇文章《Challenging local realism with human choices》,通过基于人类自由意志随机决定测量基矢的选择关闭了 the freedom-of-choice loophole.

过程:

如Fig.1 所示,subfigure (a) 表示 Human participants, or Bellsters, 这些参与人通过大贝尔实验室提供的一款游戏,给世界上进行Bell 不等式检验的实验室提供随机数,subfigure (b) 表示实验室的实验者用 Bellsters 提供的自由意志随机数随机地选择测量基矢进行 Bell 不等式检验。subfigure (c) 表示的是一个沟通系统, Bellsters 跟 Experimenters 相距很远,Bellsters 玩游戏手指点点点时提供的随机数就是通过这套系统发送给 Experimenters.   Experimenters 也通过这套系统向 Bellsters请求随机数。实验中,这些随机数是由人的自由意志产生的随机数,因而用这些人的自由意志产生的随机数是不受 the freedom-of-choice loophole 约束的。

大贝尔实验室:Challenging local realism with human choices
Fig.1 : 大贝尔实验室Bell 不等式检验实验过程

如 Fig.2 所示,subfigure (a) 表示13个Bell 不等式检验所在的位置,分布在世界的5个大洲,其中3号表示的就是中国科学技术大学上海研究院潘建伟院士团队的研究组。subfigure (b) 表示的是实验进行过程中 ,Bellsters的活跃度, Experimenters 的活跃度 和 Bellsters 产生的随机数的码率。

大贝尔实验室:Challenging local realism with human choices
Fig.2 :大贝尔实验室实验过程

结果:

如Fig.3所示,(1)~(13)表示13个实验,results一列表示的是这些实验的结果,$S$, $B$, $I_0$, $K$表示的是不同的Bell 不等式的 Bell 值。

大贝尔实验室:Challenging local realism with human choices
Fig.3: 大贝尔实验室Bell不等式检验结果

评论:

这篇文章因为是基于人类自由意志进行测量基矢的选择来关闭 the freedom-of-choice loophole,因而引起了很大的轰动。实验意义上,基于人类自由意志进行测量基矢的选择可以克服 the freedom-of-choice loophole。事实上,实验组进行实验的时候,进行实验的测量的双方Alice和Bob(以惯例称为Alice和Bob)并没有或者部分处在类空间隔,因而依然存在或者部分存在 the locality loophole。

 

作者注:本文整理的相关文献已经添加链接,需要的读者可根据链接下载,图片来源于原文章。本文已授权Qtumist (量子客) 刊登,仅供读者学习查看。

本文由量客专栏作者Shu整理发布,转载请注明出处:https://www.qtumist.com/post/1714

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