局域?qū)嵲谡撆c貝爾不等式介紹

1. 局域?qū)嵲谡撆c貝爾不等式

愛因斯坦以及兩位年輕同事波多爾斯基（Boris Podolsky）和羅森（Nathan Rosen）發(fā)現(xiàn)量子糾纏與局域?qū)嵲谡摰臎_突，認為量子力學不完備[1,2]。意思是，除了量子力學中的量子態(tài)之外，物理系統(tǒng)還存在額外的變量，可以刻畫系統(tǒng)的準確狀態(tài)。這些額外的變量叫作隱變量，它們代表了所謂的實在論。如果一個代替量子力學的理論包含隱變量，它就叫作隱變量理論。如果這個理論還滿足局域性，就叫局域隱變量理論，或者局域?qū)嵲谡摗?/p>

在EPR論文之前，1931年，馮諾伊曼（von Neumann）就在數(shù)學上證明過隱變量不存在[3]。在EPR論文之后，1950到1960年代有一些關于隱變量理論的討論，特別是玻姆（David Bohm）的一系列工作。1964年貝爾（John Bell）指出（1966年發(fā)表），馮諾伊曼的證明并不成立[4]。

1964年，貝爾又提出，局域?qū)嵲谡撆c量子力學是矛盾的，他發(fā)表了一個不等式，是任何局域隱變量理論都應該滿足的不等式[5]。后來所有這一類的不等式都叫貝爾不等式，是關于兩個子系統(tǒng)的測量結果的關聯(lián)，每個子系統(tǒng)由一個局域的觀察者對之進行測量。用局域隱變量理論計算各種測量結果的關聯(lián)，其結果滿足貝爾不等式，而在量子力學中，如果這兩個子系統(tǒng)用某些量子糾纏態(tài)描述，那么根據(jù)量子力學計算的結果是違反貝爾不等式的。 在這篇題為“論愛因斯坦-波多爾斯基-羅森佯謬”的論文中，貝爾用了玻姆首創(chuàng)的形式，基于自旋語言，但是也適合其他類似的分立變量，如光子偏振。兩個粒子的觀測量A和B，是自旋值除以恰當?shù)南禂?shù)，取值都是1或者-1，依賴于隱變量與各自測量方向a和b，因此A(a,λ)=±1, B(b,λ)=±1。根據(jù)局域?qū)嵲谡?，它們的關聯(lián)是 P(a,b)=∫dλρ(λ)A(a,λ)B(b,λ)。對于A和B嚴格關聯(lián)A(a,λ)=-B(a,λ)，貝爾證明了 1+P(b,c)≥|P(a,b)–P(a,c)|. 而對于自旋糾纏態(tài)

，

量子力學給出P(a,b)= –a?b，選擇適當?shù)腶、b、c，得到對不等式的違反。對于光子偏振的量子糾纏態(tài)




，P(a,b)=-cos2θ，其中θ是a和b的夾角。 量子力學基本問題曾被視為“只是哲學”，貝爾不等式表明，這是有理論、有實驗的物理，將原來帶有形而上學味道的討論轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢杂脤嶒灦繘Q定的判定，將哲學問題轉(zhuǎn)化為定量的科學問題。 檢驗大自然是否滿足貝爾不等式的實驗叫作貝爾測試。

作貝爾測試需要使用分居兩地又處于量子糾纏態(tài)的子系統(tǒng)，也需要迅速高效的探測，以及事先不可預測的對于每個測量裝置的獨立安排。所有有關貝爾不等式違反（或稱貝爾定理）的工作都是在貝爾的開創(chuàng)性工作基礎之上發(fā)展而來的。

實驗判定量子力學勝利，局域?qū)嵲谡撌?。但是長期以來，實驗判定上存在邏輯漏洞或額外假設，直到近年來才基本消除。而貝爾不等式的提出和驗證又與量子信息學的興起密切相關，包括概念和實驗技術。2022年的諾貝爾物理學獎工作就是對這兩方面的重大貢獻。

2. Bell-CHSH不等式與實驗

2.1 CHSH不等式

貝爾最初的不等式的具體形式所依賴的假設過于理想化，比如嚴格關聯(lián)，無法在實際實驗中核實，因此不適合真實的實驗。1969年，克勞澤（John Clauser）、霍恩（Michael Horne）, 西蒙尼（Abner Shimony）和霍爾特（Richard Holt）推廣了貝爾的不等式，他們推廣后的不等式通常稱為CHSH或者Bell-CHSH不等式[6]。

Bell-CHSH不等式更適合實際情況，可以在現(xiàn)實的實驗中檢驗。

延續(xù)上面我們對貝爾不等式的討論。考慮A(a,λ)[B(b,λ)+B(b’,λ)]+A(a’,λ)[B(b,λ)-B(b’,λ)]。它肯定等于±2，因為B(b,λ)+B(b’,λ)與B(b,λ)-B(b’,λ)中必然有一個等于±2，一個等于0。由此得到S=P(a,b)+P(a,b’)+P(a’,b)-P(a’,b’) 滿足

–2≤S≤2. 這就是Bell-CHSH不等式。而對于貝爾態(tài)，比如，可以達到S=，違反Bell-CHSH不等式。? ?

因此只要有局域?qū)嵲谛?，Bell-CHSH不等式即可成立，而且可以在實驗上檢驗。而量子力學違反它。所以，量子力學與局域?qū)嵲谡撃膫€正確，就看哪個與實驗符合。

另外，1989年，塞林格（Anton Zeilinger）曾經(jīng)與格林伯格（Daniel Greenberg）和霍恩（Michael Horne）發(fā)現(xiàn)一種三粒子量子糾纏態(tài)具有特別的性質(zhì)，不需要統(tǒng)計平均，也不需要構造不等式，就與局域?qū)嵲谡摯嬖跊_突[7]。

2.2 Freedman-Clauser實驗

1969年提出Bell-CHSH不等式時，克勞澤是分子天體物理專業(yè)博士生。1970年獲博士學位后，他來到伯克利加州大學，成為湯斯（Charles Townes）的博士后，被允許自主研究貝爾不等式。在伯克利，1967年，康明斯（Eugene Commins）的學生科克（Carl Kocher）的博士論文工作是研究來自同一個原子源的光子對的時間關聯(lián)[8]。

在這個系統(tǒng)中，級聯(lián)躍遷產(chǎn)生糾纏光子對。鈣原子的一個外層電子從基態(tài)被激發(fā)到，又躍遷到，從這個能級躍遷到，發(fā)出一個光子；再躍遷回基態(tài)，又發(fā)出一個光子。為了保持宇稱守恒為偶宇稱，角動量守恒為0，因此雙光子偏振態(tài)必然是

。

在此糾纏態(tài)下，光子在兩邊都被探測到的符合率是，

其中φ是檢測兩個光子的偏振片的夾角。但是科克所選擇研究的兩個檢測光子的偏振片夾角是0度和90度，不能用來檢驗貝爾不等式。

克勞澤和康明斯的博士生弗里德曼（Stuart Freedman，現(xiàn)已去世）改造了這個實驗裝置，改進了偏振器的效率。這個系統(tǒng)中，CHSH不等式給出

其中是沒有偏振器時的符合率。 ? 克勞澤和弗里德曼實驗上得到上式左邊是0.05±0.008，以6個標準差的實驗精度違反貝爾不等式[9]。

克勞澤和弗里德曼實驗的漫畫示意圖（圖片來自nobelprize.org） 這個初步的實驗嘗試有漏洞和局限——產(chǎn)生和探測粒子的效率低，測量也是事先設置好，因此邏輯上，有可能隱變量使得對粒子的探測有選擇性，或者測量裝置的設置（特別是偏振器的測量方向）影響了光子發(fā)出時的偏振，從而導致貝爾不等式的違反，而且不滿足局域性要求。

局域性是貝爾不等式的一個關鍵前提假設。相互分離的兩個子系統(tǒng)的測量必須相互獨立，包括選擇做哪種測量，比如位置還是動量，或者是橫向的磁矩還是縱向的磁矩（磁矩正比于自旋），或者偏振片的透光方向。因此必須保證二者的測量時間差足夠小，以至于不可能有物理信號從一方傳到另一方。因為所有的信號速度不超過光速，實驗上必須保證雙方測量的時間差小于距離除以光速，用相對論的語言，這叫做類空間隔。弗里德曼-克勞澤實驗的固定設置不滿足局域性要求。

2.3 阿斯佩實驗

1981至1982年，阿斯佩（Alain Aspect）與合作者格朗吉耶（Phillipe Grangier），羅歇（Gerard Roger）和達利巴爾（Jean Dalibard）做了3個實驗，以高精度觀察到了對Bell-CHSH不等式的違反，在很大程度上滿足局域性要求。

在第一個實驗中[10]，在發(fā)生級聯(lián)過程前，通過兩套激光，用雙光子吸收直接將電子激發(fā)到，這比以前通過有效得多。

在第二個實驗中[11]，用雙通道偏振器進行測量，得到很好的統(tǒng)計和很大的對貝爾不等式的違反，精度是幾十個標準偏差。

貝爾當初就指出，實驗設置要在粒子飛行過程中改變[5]。如果兩邊偏振測量方向做隨機的改變，而且所費的時間小于兩個粒子從源分別到達偏振器的時間，就能保證糾纏粒子被測量時，時空間隔是類空的，兩邊的測量沒有因果關聯(lián)。

這在阿斯佩的第三個實驗中部分得到實現(xiàn)。這是三個實驗中最重要的[12]。從鈣原子到偏振片距離6米，光子飛行只有20納秒，在光子飛行過程中是來不及旋轉(zhuǎn)偏振器的。但是他們用了阿斯佩早些年設計的巧妙方法[13]。一對光子在到達一對偏振片之前，經(jīng)過一個聲光開關，被導向兩對偏振器中的一對。聲光開關每10ns切換一次。所使用的CHSH不等式給出，量子力學給出0.112。

實驗得到0.101±0.020, 與量子力學一致，違反不等式。精度是5個標準偏差。

阿斯佩的第三個實驗的漫畫示意圖（圖片來自nobelprize.org） 這些實驗以及后來的很多貝爾測試實驗都判定量子力學勝利，局域?qū)嵲谡撌?。但是這些工作中仍然存在技術性的邏輯漏洞，如在探測器效率或局域性上。

在阿斯佩的第三個實驗中，因為在糾纏光子對離開源之后，偏振器的測量方向做了改變，所以邏輯上來說，在很大可能性上，光子產(chǎn)生時的偏振沒有受到偏振器測量方向的影響。

但是，這兩個偏振器之間距離很短，由于技術的局限性，做不到在光子飛行時，隨機改變測量裝置。因此在阿斯佩的第三個實驗中，測量裝置的改變并不是隨機的，而是周期性的。具體來說，我覺得邏輯上，不能排除比較復雜的“陰謀論”：既然測量裝置的改變是周期的，那么測量時的偏振器方向與過去的偏振器方向的關系是確定，所以后者也可能影響了光子產(chǎn)生時的偏振。因此阿斯佩的第三個實驗并沒有關閉局域性漏洞，但是仍然具有里程碑的歷史地位。

2.4 塞林格組補上局域性漏洞

1997年，塞林格研究組的實驗終于補上了局域性漏洞[14]。在他們的實驗中，分析糾纏光子對的實驗裝置相距400米，以光速飛行則需要1300納秒。糾纏光子對通過光纖傳到偏振片。每個光子的偏振分析裝置的方向有足夠的時間進行快速的隨機改變——用隨機數(shù)產(chǎn)生器控制，用原子鐘計時。一系列光子對的測量結束后，實驗人員將兩邊的數(shù)據(jù)搜集起來，分析關聯(lián)。

塞林格研究組的貝爾測試實驗的漫畫示意圖（圖片來自nobelprize.org）。 在補上局域性漏洞后，塞林格組又做過很多貝爾測試，其中一個實驗用來自不同類星體的光子的波長信息來決定偏振測量方向[15]，這反映在漫畫中。與此同時，潘建偉組的實驗用來自不同恒星的光子的波長信息來決定偏振測量方向[16]。

在這個實驗中，各種技術改進很多。值得指出，這里用第2類參量下轉(zhuǎn)換（type-II parametric down conversion）方法產(chǎn)生糾纏光子對。這是一個非線性光學過程，用β-BBO（偏硼酸鋇）晶體實現(xiàn)。β-BBO晶體是由中國科學院福建物質(zhì)結構研究所首次發(fā)現(xiàn)和研制的紫外倍頻晶體。這種方法產(chǎn)生的糾纏光子對，可以通過光纖傳送，從而分開很大的距離。這個方法最早由歐澤宇和L. Mandel, 以及史硯華和C. O. Alley于1980年代實現(xiàn)，并以此做了貝爾測試[17,18]，后來歐澤宇， Pereira, Kimble和彭堃墀用這個方法實現(xiàn)了連續(xù)變量（所謂的光振幅）的糾纏以及貝爾測試[19]。后來人們用這個方法實現(xiàn)了相距幾公里[20]和幾十公里[21]的糾纏光子的貝爾測試。塞林格組對此方法的使用始于與史硯華的一個合作工作，在4分鐘內(nèi)實現(xiàn)了100標準偏差以上的貝爾不等式違反[22]。

我們前面說過，愛因斯坦等人揭示了量子糾纏與定域?qū)嵲谡摚炊ㄓ蛐院蛯嵲谡摴餐闪ⅲ┑臎_突，愛因斯坦是量子糾纏研究的最大功臣。但是正如阿斯佩曾經(jīng)說過的，在相對論性分離（即類空間隔）下所選擇的測量下，對貝爾不等式的違反，意味著“用粒子共同源決定的、由光子對攜帶的共同性質(zhì)來解釋關聯(lián)”這樣的愛因斯坦圖像不能保持了，我們必須做出結論：糾纏粒子對確實是不可分離的整體，無法賦予其中每個粒子單獨的局域性質(zhì)[23]。

3.后續(xù)工作

在關于貝爾不等式的實驗中，還長期存在“探測漏洞”。因為被探測到的糾纏粒子只是最初產(chǎn)生的糾纏對中的一部分，有多少被探測到與實驗裝置有關。

在公平取樣的前提下，實驗上得到的統(tǒng)計分析才可以用來檢驗貝爾不等式。但是探測器的效率是有限的，如果探測效率不夠高，就可能做不到公平取樣，這就是探測漏洞。

要補上探測漏洞，保證公平取樣，必須滿足這樣的條件：當一邊測量到光子時，另一邊也探測到光子的概率大于2/3[24]。2001年和2008年的離子實驗[25,26]補上了探測漏洞。2013年，塞林格組[27]和Kwiat組[28]在光子實驗中也補上探測漏洞。

2015年，有幾個實驗都同時補上局域性漏洞和探測漏洞，塞林格組[29]和NIST的Shalm組[30]都用了可以快速改變的偏振片和高效率的光子探測器，Delft的Hensen組用兩對電子-光子對[31]，測量兩個光子，使得兩個電子糾纏。后來，在2017年Weinfurter用相距398米的糾纏原子也同時補上這兩個漏洞[32]。

下面再介紹一下“自由選擇漏洞”。貝爾不等式是關于兩個子系統(tǒng)的各種測量結果之間的關聯(lián)，涉及測量裝置的幾種不同設置，比如測量的方向。這在貝爾不等式的推導中是完全自由的，與隱變量無關。

而在貝爾測試中，需要自由隨機選擇這幾個不同設置。長期以來，在實驗中，即使局域性漏洞和探測漏洞都補上了，也還是由儀器來隨機選擇實驗裝置的安排。這并不理想，因為萬一這些儀器所作的選擇本身就是由隱變量決定的呢？這叫做“自由選擇漏洞”。貝爾曾提出可以用人的自由選擇來保證實驗裝置的安排的不可預測性。但是當時的技術做不到。

2016年11月30日，一個叫做“大貝爾測試”（The Big Bell Test）的實驗項目就是這樣的實驗，補上了這個“自由選擇漏洞”。實驗中所作的選擇都是來自全球各地的約10萬個志愿者。12小時內(nèi)，這些志愿者通過一個網(wǎng)絡游戲“The BIG Bell Quest”，每秒產(chǎn)生1000比特數(shù)據(jù)，總共產(chǎn)生了97347490比特數(shù)據(jù)。參加游戲的志愿者被要求在一定時間內(nèi)輸入一定的隨機比特0或1，被用于對實驗中所作選擇的指令。有個機器學習算法會根據(jù)已輸入的比特，提醒志愿者避免可預測性，但是對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不作選擇。

全球五個洲的12個實驗室在12個小時內(nèi)做了13個貝爾實驗。這些實驗用10萬名志愿者無規(guī)提供的這些數(shù)據(jù)來安排測量裝置，不同的實驗采用不同的數(shù)據(jù)。在不同系統(tǒng)的貝爾測試的結果表明了局域?qū)嵲谡撛谶@些系統(tǒng)中被違反。其中幾個是潘建偉組、塞林格組等分別完成的光子偏振實驗。

2018年5月9日，Nature雜志以“用人的選擇挑戰(zhàn)局域?qū)嵲谡摗睘轭}， 發(fā)表了這13個貝爾實驗的結果[33,34]，顯示局域?qū)嵲谡撛诠庾?、單原子、原子系綜與超導器件等系統(tǒng)中被違反。這一工作代表了對量子力學基本理論的檢驗又前進了一步。

最后提一下，既然局域?qū)嵲谡撆c量子力學沖突，那么矛盾的源泉來自哪里，局域論還是實在論？為研究這個問題，萊格特（Anthony J. Leggett）考慮一種“加密非局域?qū)嵲谡摗保鹤鳛榉蔷钟蛐?，對于確定的偏振方向，被測量量既依賴測量偏振片方向，也依賴于另一邊的偏振片方向。但是物理態(tài)是各種偏振方向的統(tǒng)計平均，服從局域規(guī)律，如馬呂斯定律。對此，萊格特導出萊格特不等式，被量子力學違反[35]。最近我們提出一個推廣的萊格特不等式，特別適用于粒子物理中的糾纏介子，被量子力學和粒子物理違反[36]。

2022年諾貝爾物理學獎授予克勞澤、阿斯佩和賽林格，獎勵他們關于糾纏光子的實驗，奠定了貝爾不等式的違反，也開創(chuàng)了量子信息科學。他們的開創(chuàng)性實驗使量子糾纏成為“有力的工具”，為量子科技的新紀元打下基礎。

審核編輯：劉清