撰文 | 施  郁（復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授）

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2016年11月30日，一個(gè)叫做“大貝爾測(cè)試”（The Big Bell Test）的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在全球五個(gè)洲的12個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。在全球各地大約10萬名志愿者的幫助下，這些實(shí)驗(yàn)室在12個(gè)小時(shí)內(nèi)做了13個(gè)貝爾實(shí)驗(yàn)，其中一個(gè)是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院潘建偉教授領(lǐng)導(dǎo)的光子偏振實(shí)驗(yàn)。

本周三，2018年5月9日，Nature雜志發(fā)表了這13個(gè)貝爾實(shí)驗(yàn)的結(jié)果[1]，顯示定域?qū)嵲谡撛谟泄庾印卧?、原子系綜與超導(dǎo)器件等系統(tǒng)中被違反。這一工作代表了對(duì)量子力學(xué)基本理論的檢驗(yàn)又前進(jìn)了一步。 

自上世紀(jì)二十年代以來，量子力學(xué)成為整個(gè)微觀物理學(xué)的基本理論框架，并且取得了巨大的成功。量子力學(xué)以前已經(jīng)建立的物理學(xué)框架被稱作經(jīng)典物理。量子力學(xué)的數(shù)學(xué)工具并不比經(jīng)典物理的更復(fù)雜，但是量子力學(xué)的概念框架與之截然不同，以致于玻爾說：“沒被量子理論震撼就沒懂?！痹谌祟愃枷胧飞希孔恿W(xué)即使不是最重大的革命，也是最重大的革命之一[2]。

1935年，愛因斯坦、波多爾斯基（Boris Podolsky）和羅森（Nathan Rosen）以所謂的定域?qū)嵲谡?span style="color: rgb(136, 136, 136);">（即定域性和實(shí)在論共同成立）為前提假設(shè)，討論了相距很遠(yuǎn)的處于量子糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子。定域性是指，在某處的測(cè)量不會(huì)影響到遙遠(yuǎn)的地方。這里的實(shí)在論是指觀測(cè)量在被觀測(cè)之前就已經(jīng)確定了。愛因斯坦等人提出量子力學(xué)不完備，除了量子力學(xué)中的量子態(tài)之外，物理系統(tǒng)還存在額外的變量。后來人們將這些額外的變量稱作隱變量，它們代表了上面說的實(shí)在論。如果一個(gè)代替量子力學(xué)的理論包含隱變量，它就叫作隱變量理論。如果這個(gè)理論還滿足定域性，就叫定域隱變量理論。

1964年，貝爾（John Bell）發(fā)表了一個(gè)不等式，是定域隱變量理論都應(yīng)該滿足的不等式。后來所有這一類的不等式都叫作貝爾不等式。最簡(jiǎn)單的情況是關(guān)于兩個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)由一個(gè)觀察者對(duì)之進(jìn)行測(cè)量。用定域隱變量理論計(jì)算各種測(cè)量結(jié)果的關(guān)聯(lián)，結(jié)果滿足貝爾不等式。在量子力學(xué)中，如果這兩個(gè)子系統(tǒng)用某些量子糾纏態(tài)描述，那么根據(jù)量子力學(xué)計(jì)算的結(jié)果是違反貝爾不等式的。也就是說，量子力學(xué)與定域?qū)嵲谡撌敲艿摹?/p>

貝爾不等式將原來帶有形而上學(xué)味道的討論轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢杂脤?shí)驗(yàn)定量決定的非此即彼的判定。檢驗(yàn)大自然是否滿足貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)叫作貝爾測(cè)試。作貝爾測(cè)試需要使用分居兩地又處于量子糾纏態(tài)的子系統(tǒng)，迅速高效的探測(cè)，以及事先不可預(yù)測(cè)的對(duì)于測(cè)量裝置的安排。后來歷史上的里程碑主要是，1972年克勞瑟（John Clauser）等人的實(shí)驗(yàn)和1981年阿斯貝克特（Alain Aspect）等人的實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)以及后來的很多貝爾測(cè)試實(shí)驗(yàn)都判定量子力學(xué)勝利，定域?qū)嵲谡撌?。這些工作中還存在技術(shù)性漏洞，如在探測(cè)器效率或定域性的確保上，但是一般認(rèn)為，在2015年的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)中補(bǔ)上了。

貝爾不等式是關(guān)于兩個(gè)子系統(tǒng)的各種測(cè)量結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)，涉及測(cè)量裝置的幾種不同設(shè)置，比如測(cè)量的方向。這在貝爾不等式的推導(dǎo)中是完全自由的，與隱變量無關(guān)。在貝爾測(cè)試中，需要自由隨機(jī)選擇這幾個(gè)不同設(shè)置。在所有以前的實(shí)驗(yàn)中，都是由儀器來隨機(jī)選擇實(shí)驗(yàn)裝置的安排。這是不理想的，因?yàn)槿f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(shí)驗(yàn)裝置的安排的不可預(yù)測(cè)性。但是當(dāng)時(shí)的技術(shù)做不到。

“用人的選擇挑戰(zhàn)定域?qū)嵲谡摗彼鶊?bào)導(dǎo)的“大貝爾測(cè)試”就是這樣的實(shí)驗(yàn)，補(bǔ)上了這個(gè)“自由選擇漏洞”。這些實(shí)驗(yàn)中所作的選擇都是來自全球各地的約10萬個(gè)志愿者。2016年11月30日的12小時(shí)內(nèi)，這些志愿者通過一個(gè)網(wǎng)絡(luò)游戲“the BIG Bell Quest”，每秒產(chǎn)生1000比特?cái)?shù)據(jù)，總共產(chǎn)生了97347490比特?cái)?shù)據(jù)。每個(gè)比特是0或1，被用于對(duì)實(shí)驗(yàn)中所作選擇的指令。不同的實(shí)驗(yàn)采用不同的數(shù)據(jù)。參加游戲的志愿者被要求在一定時(shí)間內(nèi)輸入一定的隨機(jī)比特。有個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)算法會(huì)根據(jù)已輸入的比特，提醒志愿者避免可預(yù)測(cè)性，但是對(duì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不作選擇。

依據(jù)這些志愿者無規(guī)提供的數(shù)據(jù)來安排測(cè)量裝置，13個(gè)在不同系統(tǒng)的貝爾測(cè)試的結(jié)果表明了定域?qū)嵲谡撛谶@些系統(tǒng)中被違反。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)之前，利用網(wǎng)絡(luò)游戲召集志愿者參與實(shí)驗(yàn)已經(jīng)出現(xiàn)在蛋白質(zhì)與RNA折疊、神經(jīng)元映像以及量子計(jì)算中的優(yōu)化問題。還有人建議召集世界各地的人用手機(jī)測(cè)宇宙線。這些都可以叫作全民科研（citizen science），是互聯(lián)網(wǎng)帶來的新的科研方法。

參考文獻(xiàn)：

1. The BIG Bell Test Collaboration, Challenging local realism with human choices, 

Nature 557, 212–216 (2018). http://nature.com/articles/doi:10.1038/s41586-018-0085-3

2. 施郁，繼續(xù)量子科學(xué)革命，光明日?qǐng)?bào)，2017 年 05 月 25 日 13 版.

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