古代类星体有助于确认量子纠缠

类星体可以追溯到大爆炸后不到十亿年的时间。图像：NASA / ESA / G.Bacon，STScI

最新结果是“远距离鬼行”的最有力证据。

去年，麻省理工学院，维也纳大学和其他地方的物理学家为量子纠缠提供了强有力的支持。量子纠缠似乎是遥不可及的想法，即无论在空间和时间上彼此之间有多远，两个粒子都可以在一个原子中紧密地联系在一起。违背经典物理学规则的方式。

例如，两个粒子坐在宇宙的相对边缘。如果它们确实是纠缠的，那么根据量子力学理论，它们的物理性质应该以一种方式相关联，以使得对一个粒子进行的任何测量都应立即传达有关另一粒子的任何未来测量结果的信息-爱因斯坦怀疑地看到了这种相关性。作为“远距离的怪异动作”。

在1960年代，物理学家约翰·贝尔（John Bell）计算了理论极限，超出该极限，此类相关性必须具有量子解释，而不是经典解释。

但是，如果这种相关性不是量子纠缠的结果，而是其他一些隐藏的经典解释的结果，那该怎么办呢？物理学家知道，这种“假设”是贝尔不等式测试的漏洞，其中最顽固的是“选择自由”漏洞：某些隐藏的经典变量可能会影响实验者选择的测量结果在纠缠的粒子上执行，使结果看起来与量子相关，而实际上却没有。

由研究人员礼貌

去年2月，麻省理工学院（MIT）团队及其同事通过使用具有600年历史的星光来决定要测量的两个纠缠光子的性质，极大地限制了选择自由的漏洞。他们的实验证明，如果一个经典的机制引起了他们所观察到的相关性，那么它必须在600年前就开始运转，这要比首次发射恒星的光要早得多，甚至要比实际的实验还远。

现在，在今天发表在《物理评论快报》上的一篇论文中，同一团队大大扩展了量子纠缠的理由，并进一步限制了选择自由漏洞的选择。研究人员使用遥远的类星体来确定要对纠缠的光子进行的测量，其中一个类星体在78亿年前发出光，另一类在122亿年前发出光。他们发现了30,000多对光子之间的相关性，其程度远远超出了Bell最初为经典机制计算的极限。

“如果某种阴谋正在通过一种实际上是经典的机制来模拟量子力学，那么该机制将不得不开始运行-至少以某种方式确切地知道何时，何地以及如何进行该实验-至少有78亿年的历史。前。这似乎令人难以置信，因此，我们有非常有力的证据证明量子力学是正确的解释。”合著者，麻省理工学院物理学家维克托·魏斯科普夫（Victor F. Weisskopf）的艾伦·古斯（Alan Guth）说。

“地球大约有45亿年的历史，所以任何可能通过利用此漏洞而产生我们结果的替代机制-不同于量子力学-都必须在很久以前就已经存在，甚至没有行星地球也更不用说了。麻省理工学院。”杰姆斯豪森科学史教授，麻省理工学院物理学教授戴维·凯泽（David Kaiser）补充道。“因此，我们将任何其他解释都推回了宇宙历史的早期。”

Guth和Kaiser的合著者包括Anton Zeilinger及其在奥地利科学院和维也纳大学的小组成员，以及Harvey Mudd学院和加利福尼亚大学圣地亚哥分校的物理学家。

数十亿年前做出的决定

2014年，凯撒（Kaiser）和现任研究团队的两名成员杰森（Jason Gallicchio）和安德鲁弗里德曼（Andrew Friedman）提出了一项在地球上产生纠缠光子的实验，这一过程在量子力学研究中是相当标准的。他们计划以相反的方向朝着光检测器发射纠缠对中的每个成员，这些光检测器也将使用偏振器对每个光子进行测量。研究人员可以通过将偏振器设置为不同的角度，并观察光子是否通过，来测量每个入射光子电场的极化或取向。研究人员可以比较每个光子的结果，以确定粒子是否显示出预测的特征相关性。由量子力学。

研究小组在拟议的实验中增加了一个独特的步骤，即使用来自远距离的古代天文光源（例如恒星和类星体）的光来确定设置各个偏振器的角度。当每个纠缠的光子在飞行中，以光速朝其探测器前进时，研究人员将使用位于每个探测器位置的望远镜来测量类星体入射光的波长。如果该光比某个参考波长更红，则偏振器将以一定角度倾斜，以对入射的纠缠光子进行特定的测量-由类星体确定的测量选择。如果类星体的光比参考波长更蓝，则偏振器将以不同的角度倾斜，对纠缠的光子进行不同的测量。

在他们之前的实验中，研究小组使用小型后院望远镜测量了距离我们约600光年的恒星的光。在他们的新研究中，研究人员使用了更大，更强大的望远镜来捕获来自更古老，更遥远的天体物理学来源的入射光：类星体的光已经向地球传播了至少78亿年，而这些物体离地太远了而且非常发光，可以从地球上观察到它们的光。

棘手的时机

Kaiser回忆说，在2018年1月11日，“时钟刚刚过去了当地时间的午夜”，当时大约有十二名团队成员聚集在加那利群岛的一个山顶上，并开始从两座4米高的大山上收集数据宽望远镜：位于同一座山上，相距约一公里的William Herschel望远镜和Telescopio Nazionale Galileo。

一架望远镜聚焦在一个特定的类星体上，而另一架望远镜则在夜空的另一片中注视着另一个类星体。同时，位于两个望远镜之间的一个站的研究人员从每一对望远镜向相反的方向制造了成对的纠缠光子和束状粒子。

在每个纠缠的光子到达检测器之前的几分之一秒内，仪器确定从类星体到达的单个光子是红色还是蓝色，然后该测量会自动调整最终接收并检测到入射纠缠的偏振器的角度。光子

“时机非常棘手，” Kaiser说。“所有事情都必须在非常狭窄的窗口内发生，每隔一微秒左右就要更新一次。”

揭开海市my楼的神秘面纱

研究人员进行了两次实验，每次进行约15分钟，并使用两对不同的类星体。对于每次运行，他们分别测量了17,663和12,420对纠缠的光子。在关闭望远镜穹顶并查看初步数据后的几个小时内，研究小组就知道光子对之间存在很强的相关性，超出了Bell计算的极限，表明光子以量子力学的方式相互关联。

Guth进行了更详细的分析，以计算古典机制可能产生团队观察到的相关性的机会，无论多么微小。

他计算得出，对于这两次实验中的最佳结果，基于古典物理学的机制可以实现观察到的相关性的概率约为10到-20，即，千亿分之一左右，“小得离谱” ，古斯说。为了进行比较，研究人员估计希格斯玻色子的发现只是一次偶然的偶然几率，约为十亿分之一。

盖斯说：“我们当然难以相信一个当地的现实理论可能是宇宙物理学的基础。”

然而，选择自由漏洞仍然存在一个很小的空缺。为了进一步限制它，研究小组正在考虑将时间回溯到更远的想法，以使用诸如宇宙微波背景光子之类的源，这些源是在大爆炸之后立即作为剩余辐射而发射的，尽管这样的实验将提供许多新的技术。挑战。

“考虑到我们将来可以设计的新型实验是很有趣的，但是就目前而言，我们很高兴能够如此戏剧性地解决这个特殊的漏洞。我们对类星体的实验对量子力学的各种替代方案施加了极为严格的约束。量子力学看起来似乎很奇怪，但它仍与我们可以设计的每一个实验测试相匹配。” Kaiser说。

这项研究得到了奥地利科学院，奥地利科学基金，美国国家科学基金会和美国能源部的部分支持。

出版物：Dominik Rauch等人，“使用来自高Redshift类星体的随机测量设置的宇宙钟形测试”，《物理评论快报》，2018年； doi：10.1103 / PhysRevLett.121.080403