科技进展

基于人类自由意志的量子非定域性检验

  

20161130日,全球超过10万人共同参加了一个为成为“大贝尔实验”(The BIG Bell Test)的量子物理实验:利用人类自由意志产生的随机数进行了量子非定域性检验。该实验结果于2018510日在线发表于《自然》杂志上。

早在上世纪初量子力学刚刚建立不久,以爱因斯坦和玻尔为代表的两大阵营就开始了关于量子力学基础的争论。1964年,约翰贝尔提出了一种可以区分量子力学与局域实在论孰对孰错的测试方法,即贝尔不等式。随后的几十年,大量的实验都证实了量子力学关于贝尔不等式的预言。但是这些实验并不能够完美满足贝尔不等式的假设条件,或多或少地存在一些漏洞,导致人们依然无法对这一争论进行最终判定。

此前诸多贝尔不等式实验分别关闭了两个被大家所熟知的漏洞:定域性漏洞(locality loophole公平采样假设(fair-sampling assumption。但在这些实验中,使用的是量子随机数发生器产生的随机数,随机数的产生与纠缠的产生有可能在很久的过去被某个隐变量共同支配着,因而这种随机数可能受到隐变量控制而不能作为真正的随机性来源,通常被称之为自由选择漏洞(measurement independence loophole。更普遍来说,所有利用地球上的仪器设备直接产生的随机数都无法被严格用来关闭该漏洞。自由意志(Free will)是哲学里的一个专业概念,使用人的自由意志来选择测量事件甚至用人来直接进行测量被认为是有希望彻底解决该问题的途径之一。

中国科技大学潘建伟院士领导的研究团队与国际上10余个知名量子研究团队合作,共同开展了“大贝尔实验”。该实验召集到了世界各地超过十万名志愿者,所有志愿者在20161130日当天,通过互联网和手机无线网络参加项目开发的网络实验。在实验中,所有志愿者都需要基于个人的自由意志不断地进行选择形成二进制随机数,并记录在互联网云端。这些随机数被实时和随机地发放给分布在世界各地的相关研究团队,用以控制这些研究团队的贝尔不等式检验实验,通过更多参与者的自由意志,在更广泛的范围内关闭了自由选择漏洞。

中科院上海微系统所信息功能材料国家重点实验室/中国科学院超导电子学卓越创新中心尤立星研究员团队参加了中科大团队的实验工作,为相关实验提供了高性能超导单光子探测器SNSPD(探测效率>80%)。上海微系统所长期开展SNSPD研究,其性能指标达到国际领先水平,并成功应用于我国的量子通信、量子计算/模拟等前沿研究,有力推动了我国相关领域的科技进步。

SNSPD研究工作得到了中国科学院战略性先导科技专项B类“超导电子器件应用基础研究”(XDB04010200)、上海市科委(16JC1400402)、自然科学基金等项目支持。

文章链接:http://www.nature.com/articles/s41586-018-0085-3

大贝尔实验结构图