对于阿尔伯特·爱因斯坦和黑客来说，这都是糟糕的一天。有史以来对量子理论进行的最严格的检验证实了德国物理学家著名地憎恨的“幽灵般的超距作用”——即操纵一个物体似乎瞬间影响到另一个遥远的物体——是量子世界固有的组成部分。
一些物理学家说，在荷兰进行的这项实验可能是对原子世界模型的最后致命一击，这些模型比标准量子力学更直观。它也可能使量子工程师能够开发一套新的超安全密码设备。
瑞士日内瓦大学的量子物理学家尼古拉斯·吉辛说：“从根本的角度来看，这真是一项具有历史意义的成就。”
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爱因斯坦的恼怒
在量子力学中，物体可以同时处于多种状态：例如，一个原子可以同时位于两个位置，或沿相反方向旋转。测量一个物体会迫使其突然进入一个明确定义的状态。此外，不同物体的属性可以变得“纠缠”，这意味着它们的状态是相互关联的：当测量其中一个物体的属性时，其所有纠缠双胞胎的属性也会被确定。
这个想法让爱因斯坦感到恼火，因为似乎这种幽灵般的影响会在即使是远距离分离但纠缠的粒子之间瞬间传播——这意味着它可能违反没有什么能比光速更快的普遍规则。他提出，量子粒子在被测量之前确实具有确定的属性，称为隐变量。即使这些变量无法访问，他也暗示它们预先设定了纠缠粒子的行为方式，使它们以相关的方式表现。
在 20 世纪 60 年代，爱尔兰物理学家约翰·贝尔提出了一个测试，可以区分爱因斯坦的隐变量和量子力学的诡异解释。他计算出，隐变量只能解释一定最大限度的相关性。如果超过这个水平，那么爱因斯坦的模型一定是错误的。
第一次贝尔测试是在 1981 年由阿兰·阿斯佩的团队在法国帕莱索光学研究所进行的。此后进行了更多次测试，结果始终支持诡异性——但每次实验都有漏洞，这意味着物理学家从未能够完全关闭爱因斯坦观点的门。使用纠缠光子的实验容易出现“探测漏洞”：并非实验中产生的所有光子都被探测到，有时多达 80% 的光子会丢失。因此，实验者必须假设他们捕获的光子的属性代表了整个集合。
为了绕过探测漏洞，物理学家通常使用比光子更容易追踪的粒子，例如原子。但是，在不破坏其纠缠的情况下分离遥远的原子是很困难的。这就打开了“通信漏洞”：如果纠缠原子靠得太近，那么原则上，对一个原子进行的测量可能会影响另一个原子，而不会违反光速限制。
纠缠交换
在最新的论文中，该论文于 8 月 24 日提交给 arXiv 预印本库，尚未经过同行评审，由代尔夫特理工大学的罗纳德·汉森领导的团队报告了首次同时关闭探测漏洞和通信漏洞的贝尔实验。该团队使用了一种称为纠缠交换的巧妙技术，结合了使用光和物质的优点。研究人员首先使用了两个未纠缠的电子，它们位于代尔夫特校区不同实验室的金刚石晶体中，相距 1.3 公里。每个电子都与一个光子单独纠缠，然后这两个光子都被压缩到第三个位置。在那里，这两个光子彼此纠缠——这导致它们的伙伴电子也变得纠缠。
这并非每次都奏效。总共，该团队在九天的时间里成功生成了 245 对纠缠电子对。该团队的测量结果超过了贝尔极限，再次支持了标准量子观点。此外，该实验同时关闭了两个漏洞：由于电子易于监控，探测漏洞不是问题，而且它们之间的距离足够远，也关闭了通信漏洞。
维也纳量子科学与技术中心的物理学家安东·塞林格说：“这是一个真正巧妙而美丽的实验。”
加拿大安大略省滑铁卢圆周理论物理研究所的量子物理学家马修·莱弗说：“如果未来几年我们看到这篇论文的作者之一，以及一些较早的实验，阿斯佩和其他人的名字出现在诺贝尔奖名单上，我不会感到惊讶。” “这太令人兴奋了。”
莱弗说，无漏洞的贝尔测试对于量子密码学也具有至关重要的意义。公司已经销售使用量子力学来阻止窃听者的系统。这些系统产生纠缠光子对，将每对光子中的一个光子发送给第一个用户，另一个光子发送给第二个用户。然后，两个用户将这些光子转换为只有他们知道的密码密钥。由于观察量子系统会扰乱其属性，如果有人试图窃听此过程，它将产生明显的效应，从而发出警报。
最后的缺口
但是漏洞，特别是探测漏洞，为老练的窃听者敞开了大门。通过这个漏洞，恶意公司可以销售欺骗用户的设备，让他们认为自己获得了量子纠缠粒子，而实际上他们得到的却是该公司可以用来监视他们的密钥。1991 年，量子物理学家阿图尔·埃克特观察到，将贝尔测试集成到密码系统也能够确保该系统使用真正的量子过程。然而，为了使这有效，贝尔测试必须没有任何黑客可以利用的漏洞。塞林格说，代尔夫特实验“是量子密码学可以无条件安全的最终证明”。
然而，在实践中，纠缠交换的想法将难以实现。量子密码公司 ID Quantique 在日内瓦的联合创始人吉辛指出，该团队花了一个多星期的时间才生成了数百对纠缠电子对，而生成量子密钥将需要每分钟处理数千比特的数据。
塞林格还指出，仍然存在最后一个，有点哲学意味的漏洞，贝尔本人首先指出了这一点：隐变量有可能以某种方式操纵实验者对测量属性的选择，从而欺骗他们认为量子理论是正确的。
然而，莱弗不太担心这种“自由选择漏洞”。他说：“可能是存在某种超决定论，因此测量设置的选择是在宇宙大爆炸时决定的。” “我们永远无法证明情况并非如此，所以我认为可以公平地说，大多数物理学家不太担心这个问题。”
本文经许可转载，首次发表于 2015 年 8 月 27 日。