當(dāng)量子力學(xué)在近一個世紀(jì)前首次被發(fā)現(xiàn)時，它顛覆了人們此前對宇宙的兩個基本假設(shè)，一個是客觀實在性（realism），一個是“非局部性（non-locality）”。

在客觀實在性的問題上，相比經(jīng)典物理，量子力學(xué)認(rèn)為一個獨立于觀察者的世界是不存在的，所謂的現(xiàn)實在被觀察前都是不可描述的。而在第二個問題，“非局部性”上，量子力學(xué)中的“糾纏”能違背了愛因斯坦的相對論，允許處于一個時空的事件能瞬間影響處于另一個時空的事件，而在相對論中，光速才是宇宙中的最快速度。

由于發(fā)現(xiàn)了光量子，愛因斯坦被認(rèn)為是量子理論的創(chuàng)建者之一，但愛因斯坦對后來的量子力學(xué)并不滿意，并認(rèn)為量子力學(xué)理論不完整，簡單的一句話是——“上帝不丟骰子”。在他看來，量子力學(xué)的概率特征是其理論不完備的表現(xiàn)，愛因斯坦生前曾一直并堅信其背后一定有著更為深層的物理原理能對此給出解釋，直至他于 1955 年去世，問題也仍未得到解答。

但是，迄今為止最為宏大的貝爾實驗再次驗證了量子力學(xué)的可靠性：圍繞量子力學(xué)中頗為關(guān)鍵的一個漏洞——選擇漏洞，一個國際小組將他們的貝爾實驗“外包”給宇宙，讓宇宙參與生產(chǎn)隨機(jī)數(shù)，以獲取最大的隨機(jī)性。

除此之外，中國科技大學(xué)的潘建偉所領(lǐng)導(dǎo)的中國團(tuán)隊也在他們的實驗中對包括選擇漏洞在內(nèi)的量子力學(xué)所有三個漏洞都做了一定的探索。

這些實驗或許很快就能證明，整個世界或許都遵循著這一愛因斯坦生前并不喜歡的理論。

（來源：Quanta Magazine）

量子力學(xué)“填不完的漏洞”

在檢驗量子力學(xué)上，一個很有名的實驗是貝爾實驗，其發(fā)起人是北愛爾蘭理論物理學(xué)家約翰·貝爾。

1964 年，約翰·貝爾終于為實驗學(xué)家們提供了一種可行的量子力學(xué)檢驗方法。在貝爾實驗中，由一個糾纏光子源分別向愛麗絲和鮑勃兩個接收者發(fā)送光子，每個觀察者獲得這對糾纏光子中的一個。愛麗絲和鮑勃將分別測量所接受光子偏振性（極性），然后對比測量結(jié)果來判斷兩個測量結(jié)果之間是否存在相關(guān)性。

在大多數(shù)貝爾實驗中，這一特定量子屬性都被選為了“某一特定有效方向上的極化”。

經(jīng)典物理認(rèn)為兩個光子的測量結(jié)果間沒有任何聯(lián)系，在貝爾實驗中，任何認(rèn)可真實性和局部性的理論都預(yù)測測量結(jié)果間的相關(guān)性存在一個最大值。而量子力學(xué)的非局部性則允許測量間的相關(guān)性超出這一最大值。

首個較為完整的貝爾實驗于上世紀(jì) 70 年代被完成，結(jié)論是客觀實在性和局部性的崩塌，量子力學(xué)獲得勝利。

（來源：Resonance Science Foundation）

但這些早期貝爾實驗不能完全排除“隱藏理論”的存在。例如，如果進(jìn)行實驗的兩人，愛麗絲和鮑勃相距不夠遠(yuǎn)，以光速傳播的“隱藏”影響就可能會導(dǎo)致愛麗絲的測量結(jié)果對鮑勃的測量構(gòu)成影響。

除了剛才所提到的局部性漏洞，早期貝爾實驗還存在一個抽樣漏洞和一個選擇漏洞。抽樣漏洞指的是假如愛麗絲和鮑勃使用的探測器效率很低，僅能檢測到一小部分光子，實驗結(jié)果就可能會產(chǎn)出一個本不存在的相關(guān)性，而選擇漏洞則與愛麗絲和鮑勃選擇的測量設(shè)定是否完全獨立有關(guān)，因為哪怕是一丁點的選擇相關(guān)性都會摧毀實驗的完整性。

雖然在 2015 年有一系列實驗稱它們通過將愛麗絲和鮑勃在太空中分開足夠遠(yuǎn)的一段距離，并為觀測者分配備高速隨機(jī)數(shù)字生成器和高效探測器成功填補了上述三個漏洞，并得出結(jié)果表明量子力學(xué)依然正確。

但澳大利亞國立大學(xué)（Australian National University）的 Michael Hall 早在 2011 年就已提出“隨機(jī)數(shù)生成器可能在效果上不足以填補選擇漏洞”，認(rèn)為如果隨機(jī)數(shù)生成器和光子發(fā)射源在過去通過某種隱藏機(jī)制進(jìn)行過交互，觀察者的測量設(shè)定，甚至光子本身的一些屬性就會因此受到影響，進(jìn)而使實驗觀測到一些本不該存在的相關(guān)性。

西班牙光子科學(xué)研究所（Institute of Photonic Sciences）的 Morgan Mitchell 說：“當(dāng)時，如何能確保隨機(jī)數(shù)生成器與光子源間未存在過關(guān)聯(lián)成了業(yè)界的一大難題，甚至給人一種‘選擇漏洞或許根本就無法填補’的感覺。”

但 Mitchell 和同事后來提出了一個具有創(chuàng)新性的可能解決方案：將測量設(shè)定的選擇外包給玩視頻游戲玩家。在“大貝爾實驗（the Big Bell Test）”中，每個游戲玩家都需要快速生成 0 和 1 的序列，科學(xué)家會用機(jī)器學(xué)習(xí)算法則會嘗試預(yù)測玩家的選擇，按生成序列的可預(yù)測性給出玩家的得分（越不可測得分就越高）。

2016 年 11 月 30 日，大約 10 萬名玩家在游戲中生成了近 1 億個隨機(jī)數(shù)字，這些數(shù)字被傳給了全球各地的 13 個不同版本的貝爾實驗。

圖丨the Big Bell Test（來源：the Big Bell Test）

而正如大貝爾實驗團(tuán)隊于今年年初所透露的那樣，所有的實驗結(jié)果都表明量子力學(xué)成立。Mitchell 說：“如果人類有自由意志，那大貝爾實驗就已經(jīng)填補了選擇漏洞。”

然而，人有自由意志是一個極為哲學(xué)的假設(shè)，眼下并不可靠，但也確實有一個辦法能繞開這個問題。

時空中的每個事件，例如愛麗絲和鮑勃進(jìn)行測量，都有一個“過去光錐（past light cone）”：一個時空體積，一個以小于等于光速的速度傳播，能影響事件結(jié)果的“隱藏因素”，而通過盡可能地降低用于生成測量設(shè)定的隨機(jī)事件與過去相關(guān)性，也就是盡可能的縮小“過去光錐”的體積，我們便能繞過自由意志的假設(shè)，以一種相對可靠的方法填上選擇漏洞。

這便是麻省理工學(xué)院的 Andrew Friedman、David Kaiser 和哈維姆德學(xué)院（Harvey Mudd College）的Jason Gallicchio 所提出的一個替代方案。

David Kaiser 說：“我們試圖將隨機(jī)數(shù)生成工作外包給宇宙本身，以獲取最大的隨機(jī)性。”

宇宙生成的實驗

他們所進(jìn)行的這個實驗是迄今為止最大的一次量子力學(xué)檢驗實驗。

實驗計劃用 6 臺望遠(yuǎn)鏡和一系列光學(xué)設(shè)備收集由一些星系于數(shù)十億年前所發(fā)出的光，將驗證范圍擴(kuò)大至了整個宇宙時空，進(jìn)而判斷愛因斯坦生前的著名觀點，“量子力學(xué)的怪異之處不過是因為我們的認(rèn)知還不完整”是否正確。

這個方案的設(shè)想很簡單，但也很激進(jìn)。

愛麗絲和鮑勃可以用望遠(yuǎn)鏡接收由遙遠(yuǎn)天體所發(fā)出的光子，并利用每個光子的顏色屬性為生成決定測量設(shè)定的隨機(jī)數(shù)字。例如，較閾值波長更紅的光子可在兩個極化方向中的一個方向上觸發(fā)測量，而較閾值波長更藍(lán)的光子則可在另一個方向上觸發(fā)測量。通過使用宇宙本身的光子來設(shè)定測量參數(shù)，并證明量子力學(xué)依然有效，我們便能證明在光向地球傳播的過程中沒有任何“隱藏因素”能影響測量的設(shè)定。

為了將這一設(shè)想付諸實踐，Kaiser 和同事與博士生 Dominik Rauch 的主管、奧地利量子光學(xué)和量子信息研究所的 Anton Zeilinger 合作進(jìn)行了多次嘗試。在第一次實驗中，他們將糾纏光子源放置在了維也納 Boltzmanngasse 研究所的屋頂上，而愛麗絲和鮑勃則分別位于兩座建筑中。鮑勃在自然資源和生命科學(xué)大學(xué)（University of Natural Resources and Life Sciences，）的五樓，位于光子源以北約 1150 米，愛麗絲位于奧地利國家銀行的九樓，位于光子源以南約 550 米。

圖丨自然資源和生命科學(xué)大學(xué)（來源：自然資源和生命科學(xué)大學(xué)）

每當(dāng)夜晚降臨，位于兩地的研究人員就會用小型望遠(yuǎn)鏡分別觀察天空中南北兩個方向上的恒星，而望遠(yuǎn)鏡所收集到的光子信息則會被光纖傳給一個能測量波長的儀器，如果光子的波長小于 700 納米，儀器會以一種方式生成結(jié)果（比如生成數(shù)字 1），反之亦然，進(jìn)而根據(jù)天體所放出的光子隨機(jī)生成 0 和 1 來設(shè)置測量參數(shù)。

而與之前所有的實驗一樣，維也納屋頂實驗（the Vienna rooftop experiment）也表明量子力學(xué)正確，以及在光子到達(dá)地球的 600 年左右的時間里不存在能對觀測設(shè)定構(gòu)成影響的“隱藏因素”。

（來源：麻省理工科技評論）

但 Kaiser 和同事原本所提出的計劃較維也納屋頂實驗要更為宏大，想用距地球數(shù)十億光年的類星體作為隨機(jī)數(shù)生成器。

研究團(tuán)隊成員，Thomas Scheidl 說：“類星體是離我們最遠(yuǎn)的物體之一，其光強(qiáng)可讓它被光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測到，但我們需要更大的望遠(yuǎn)鏡才能進(jìn)行試驗。”

與維也納屋頂實驗一樣，新的實驗也需要三個不同的地理位置，用以安置位于兩地的愛麗絲和鮑勃，以及位于他們之間的糾纏光子源。

位于 La Palma 的 Roque de los Muchachos 山頂上建有大型望遠(yuǎn)鏡，對實驗來說有著近乎完美的配置。愛麗絲會用意大利的伽利略國家望遠(yuǎn)鏡（the Galileo National Telescope）收集光子，鮑勃會用由荷蘭、西班牙和英國聯(lián)合資助的 William Herschel 望遠(yuǎn)鏡收集光子，而一個放有用于產(chǎn)生糾纏光子對的光學(xué)儀器，由集裝箱制成的臨時辦公室則位于斯堪的納維亞北歐光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的停車場上，這個位置幾乎正好在愛麗絲和鮑勃中間，與二者分別相距約 500 米。

實驗中，愛麗絲和鮑勃所觀察的類星體分別距地球 78 億光年和 122 億光年，研究人員總共收集并分析了近一萬八千對光子的數(shù)據(jù)，結(jié)果又一次表明了量子力學(xué)是正確的。

圖丨位于加那利群島拉帕爾馬的意大利伽利略國家望遠(yuǎn)鏡（來源：哈佛 - 史密森尼天體物理中心）

如果愛因斯坦的假象宇宙真的存在，那它可能還不在我們的搜尋范圍內(nèi)

由于兩個類星體在天空中處于不同的方位，它們的過去光錐在僅重疊了約 131.5 億光年，排除了 96% 的可能“隱藏因素”影響。

Kaiser 說：“實際上，它們的過去光錐一直延伸至了宇宙誕生時的大爆炸。”

圖 |（來源：麻省理工科技評論）

但問題仍然存在，盡管實驗解決了局部性漏洞問題，并將選擇漏洞問題最小化，抽樣漏洞依然存在。

實驗需要通過空氣將光子從光源傳輸?shù)?Alice 和 Bob，這意味著需要足夠多光子才能保證探測器的檢測率達(dá)標(biāo)。Kaiser 說：“我們甚至都沒能嘗試著去填補抽樣漏洞。”

與此同時，由 Zeilinger 的前學(xué)生、中國科技大學(xué)的潘建偉所領(lǐng)導(dǎo)的中國團(tuán)隊在他們的實驗中對所有三個漏洞都做采取了一些措施。

他們通過用光纖將糾纏光子從光子源傳輸給位于上海郊區(qū)的愛麗絲和鮑勃，進(jìn)而最大限度地減少光子的損失，并用距地球約 11 光年的恒星所發(fā)出的光產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)用以設(shè)定觀測參數(shù)，其結(jié)果也表明量子力學(xué)是正確的。

目前，兩個團(tuán)隊正在考慮如何進(jìn)一步控制漏洞對實驗結(jié)果的影響，例如通過用由大爆炸產(chǎn)生，來自宇宙微波背景輻射的光子設(shè)定觀測參數(shù)。Kaiser 說：“這是一個十分誘人但又很暗實現(xiàn)的設(shè)想，要知道，宇宙中沒有比背景輻射更老的光子了。”

雖然兩個團(tuán)隊的實驗并不能完全肯定的說愛因斯坦的想法是錯的，但大多數(shù)物理學(xué)家都已對量子力學(xué)的可靠性形成了一種共識，并不會對實驗結(jié)果感到驚訝，可他們也并不排除愛因斯坦正確的可能性，只是如果愛因斯坦所設(shè)想的宇宙假如真的存在，它現(xiàn)在應(yīng)該已經(jīng)被排擠到了宇宙的一個小角落。

有關(guān)量子力學(xué)的疑問可能還會跟以前一樣深不可測。但對 Kaiser 來說，這正是他們值得慶祝的原因。Kaiser 說：“我覺得現(xiàn)在的量子理論看起來跟以前一樣好，它依然很棒。”