來自古代類星體的光有助于確認量子糾纏

去年，麻省理工學院，維也納大學和其他地方的物理學家為量子糾纏提供了強有力的支持，這種看似遙遠的觀點認為，兩個粒子，無論在空間和時間上彼此有多遠，都可以密不可分地聯系在一起。違背經典物理規則的方式。

例如，坐在宇宙的相對邊緣的兩個粒子。如果它們真正被糾纏在一起，那么根據量子力學理論，它們的物理性質應該以這樣的方式相關聯：任何對一個粒子的測量都應該立即傳達關于另一個粒子的任何未來測量結果的信息 - 愛因斯坦懷疑地看到的相關性作為“遠處的幽靈行動”。

在20世紀60年代，物理學家約翰貝爾計算了一個理論極限，超過這個界限，這種相關性必須具有量子而不是經典的解釋。

但是，如果這種相關性不是量子糾纏的結果，而是其他一些隱藏的，經典的解釋呢?這種“假設”被物理學家稱為測試貝爾不等式的漏洞，其中最頑固的是“選擇自由”漏洞：一些隱藏的經典變量可能影響實驗者選擇的測量值的可能性對糾纏粒子進行處理，使得結果看起來具有量子相關性，而實際上并非如此。

去年2月，麻省理工學院的團隊及??其同事通過使用600年的星光來決定兩個糾纏光子的特性來衡量，從而顯著限制了選擇自由的漏洞。他們的實驗證明，如果經典機制引起他們觀察到的相關性，那么它必須在600多年前開始運動，在星星的光首次發射之前，甚至在實際的實驗被構想之前很久。

現在，在今天發表在“ 物理評論快報”上的一篇論文中 ，同一個團隊大大擴展了量子糾纏的案例，并進一步限制了選擇自由漏洞的選擇。研究人員使用遙遠的類星體，其中一個類似于78億年前和其他122億年前發射的光，以確定對成對糾纏光子的測量結果。他們發現超過30,000對光子之間存在相關性，其程度遠遠超過貝爾最初為基于經典機制計算的極限。

“如果通過一種實際上是經典的機制來模擬量子力學的一些陰謀，那么該機制將不得不開始其運作 - 以某種方式確切地知道這個實驗將在何時，何地以及如何進行 - 至少78億年前。這似乎令人難以置信地令人難以置信，因此我們有非常有力的證據證明量子力學是正確的解釋，“共同作者艾倫古斯說，麻省理工學院物理學教授維克多F. Weisskopf。

“地球大約有45億年的歷史，所以任何替代機制 - 不同于量子力學 - 可能通過利用這個漏洞產生我們的結果 - 在地球行星之前很久就必須存在，更不用說了麻省理工學院，“麻省理工學院的Germeshausen科學史教授和物理學教授David Kaiser補充道。“所以我們在宇宙歷史的早期就把任何其他解釋都推到了一起。”

Guth和Kaiser的合著者包括Anton Zeilinger及其在奧地利科學院和維也納大學的團隊成員，以及Harvey Mudd學院和加州大學圣地亞哥分校的物理學家。

數十億年前作出的決定

2014年，Kaiser和現任團隊的兩名成員Jason Gallicchio和Andrew Friedman提出了一項在地球上產生糾纏光子的實驗 - 這一過程在量子力學研究中是相當標準的。他們計劃以相反的方向射擊糾纏對的每個成員，朝向光探測器，也可以使用偏振器測量每個光子。研究人員將測量每個入射光子電場的偏振或方向，通過設置各個角度的偏振器并觀察光子是否通過 - 研究人員可以比較的每個光子的結果，以確定粒子是否顯示預測的標志相關性通過量子力學。

該團隊為擬議的實驗添加了一個獨特的步驟，即使用來自古代遙遠天文源(如恒星和類星體)的光來確定設置每個偏振器的角度。當每個糾纏光子在飛行中，以光速前往探測器時，研究人員將使用位于每個探測器位置的望遠鏡來測量類星體入射光的波長。如果該光比某些參考波長更紅，則偏振器將以一定角度傾斜，以對進入的糾纏光子進行特定測量 - 這是由類星體確定的測量選擇。如果類星體的光比參考波長更藍，則偏振器將以不同的角度傾斜，對糾纏光子執行不同的測量。

在他們之前的實驗中，該團隊使用小型后院望遠鏡測量距離我們600光年遠的恒星的光線。在他們的新研究中，研究人員使用更大，更強大的望遠鏡捕捉來自更古老，遙遠的天體物理來源的入射光：類星體的光已經向地球傳播至少78億年 - 這些物體非常遙遠然而它們是如此明亮，以至于可以從地球上觀察到它們的光。

棘手的時機

在2018年1月11日，“時鐘已經過了當地時間的午夜時間”，正如凱澤回憶的那樣，當時大約十幾名團隊成員聚集在加那利群島的山頂上并開始收集兩個4米大的數據全望遠鏡：William Herschel望遠鏡和Telescopio Nazionale Galileo，兩者都位于同一座山上，相隔約一公里。

一架望遠鏡專注于特定的類星體，而另一臺望遠鏡則在另一片夜空中觀察另一個類星體。與此同時，位于兩個望遠鏡之間的一個站點的研究人員在每個望遠鏡的相反方向上產生了成對的糾纏光子和每對光束。

在每個糾纏光子到達其探測器之前的一秒鐘內，儀器確定從類星體到達的單個光子是否更紅或更藍，然后測量自動調整最終接收并檢測到入射糾纏的偏振器的角度光子。

“時機非常棘手，”凱撒說。“一切都必須在非常緊湊的窗戶內進行，每微秒左右更新一次。”

揭開海市蜃樓的神秘面紗

研究人員進行了兩次實驗，每次實驗約15分鐘，并有兩對不同的類星體。對于每次運行，他們分別測量了17,663和12,420對糾纏光子。在關閉望遠鏡穹頂并查看初步數據的幾個小時內，團隊可以判斷出光子對之間存在強烈的相關性，超出貝爾計算的極限，表明光子以量子力學方式相關。

Guth進行了更詳細的分析，以計算一個經典機制可能產生團隊觀察到的相關性的機會，無論多么微不足道。

他計算出，對于兩次運行中最好的一次，基于經典物理學的機制可以實現觀察到的相關性的概率大約是10到負20 - 即大約一千億億的一部分，“非常小，“古斯說。為了進行比較，研究人員估計了希格斯玻色子的發現只有十億分之一的概率。

“我們當然把令人難以置信的難以理解的是，當地的現實理論可能成為宇宙物理學的基礎，”古斯說。

然而，選擇自由漏洞仍有一個小小的開放。為了進一步限制它，該團隊正在考慮進一步觀察時間的想法，使用諸如宇宙微波背景光子之類的來源，這些光子在大爆炸之后立即作為剩余輻射發射，盡管這些實驗將呈現一系列新的技術挑戰。

“考慮一下我們未來可以設計的新型實驗很有趣，但就目前而言，我們非常高興我們能夠如此戲劇性地解決這個特殊的漏洞。我們對類星體的實驗對量子力學的各種替代方案施加了極其嚴格的限制。正如量子力學看起來一樣奇怪，它繼續與我們可以設計的每一個實驗測試相匹配，“凱撒說。