“幽灵作用”上千公里仍存在 爱因斯坦输了吗

科学家利用量子科学实验卫星，在相距1200千米的两个地面站之间，成功完成了贝尔不等式的测量。这是首次实现空间尺度严格满足爱因斯坦定域性条件的量子力学非定域性检验。

最近几天，墨子号量子科学实验卫星在国际上率先实现千公里级的量子纠缠分发，并在此基础上首次实现空间尺度严格满足爱因斯坦定域性条件的量子力学非定域性检验，这个看似与常人不相关的新闻一度刷屏各大新闻网站。那么，在相距1200公里距离上实现量子纠缠分发，究竟意味着什么呢？

2016年8月，我们国家发射了一颗量子科学实验卫星墨子号。它将首次开展星地间量子保密通信实验和量子隐形传态实验。墨子号的第三个任务，就是通过向地面发射一对对纠缠光子，来验证一下在量子力学中，上帝到底掷不掷骰子。

世纪之争：量子力学是否完备

量子力学有很多难以理解的现象。比方说，光子可以朝着某个方向进行振动，叫做偏振。在量子力学中，一个光子居然可以同时处在水平偏振和垂直偏振两个量子状态的叠加态。

但如果你拿一个仪器在这两个方向上测量这样的光子，就会发现，每次测量只会得到其中一个结果：要么是水平的，要么是垂直的。测量结果完全随机。这就是量子力学的另一个怪现象：测量叠加态的结果完全拼概率！

拼概率这种怪事，让量子力学的创始人之一爱因斯坦大感困惑，他说上帝不掷骰子！因此跟另一个创始人玻尔发生过一场论战。

论战虽然很火爆，但直到两个人去世时，都没有分出胜负来。因为他们的争吵总是停留在理论上。而在物理学中，谁说了都不算，最后还得看实验。量子纠缠是量子物理中一个最深远和最令人费解的现象，被爱因斯坦称为幽灵般的超距作用，它是两个(或多个)粒子共同组成的量子状态，无论粒子之间相隔多远，测量其中一个粒子必然会影响其他粒子。

尽管爱因斯坦不相信存在遥远地点间的诡异互动，他认为量子力学对客观世界的描述是不完备的，量子力学一定还有某些因素尚待发现。然而量子力学的另一位创始人玻尔认为量子力学没有问题，这种奇异现象是存在的。20世纪二三十年代，量子力学就在他们的争论中发展起来。

贝尔不等式：用实验验证对错

1964年，物理学家约翰贝尔提出了一个实验方案，能够检验他们谁对谁错。他设计出一个数学公式，也就是贝尔不等式，提供了用实验在玻尔与爱因斯坦不同观点之间做出判决的机会。

简而言之，贝尔要让一台机器不断向两个方向发射一对对纠缠光子，然后随机沿着不同的角度，分别对纠缠光子的偏振方向进行测量。无论它们相距多远，只要你测量其中一个光子，另一个光子也会瞬间发生响应。这是爱因斯坦说的鬼魅般的超距作用。

如果量子力学如爱因斯坦所说，每单次的测量结果并不是完全随机产生的，而是由某种人们目前可能还暂时无法理解的所谓隐变量操纵的，并且一个地点的测量信息即使以光速飞行，也来不及在实验结束之前影响到另一个地点的测量，那么实验结果就会满足一个不等式，叫做贝尔不等式。

在贝尔不等式的实验中，为了保证测量事件的类空间隔，科学家总是要将两个探测装置相隔一定距离放置。他们每做完一轮实验都会想，如果距离再远一些，量子纠缠是否仍然存在，贝尔不等式的结果会不会改变？会不会受到引力等其它因素的影响？于是，在科学精神的驱使下，科学家们将探测装置越放越远。

如果在地面上做这个实验，光子就会受到大气的干扰，传输距离不可能太长。所以，之前科学家做过的最远距离的实验是相距144千米。而且，目前科学家所进行的所有实验都支持玻尔的观点。

但是在太空中就不同了，因为卫星轨道附近基本上是真空，大部分空气都贴在地球表面，所以，从太空中向地面发射纠缠光子，受到的干扰就会比较小。

领跑世界：迄今最好的实验结果

量子纠缠在更远的距离上是否仍然存在？会不会受到引力等其他因素的影响？世界首颗量子卫星墨子号首席科学家、科学院院士潘建伟说，这些基本物理问题的验证都需要实现上千公里甚至更远距离的纠缠分发；另一方面，要实现广域的量子网络也自然要求远距离的纠缠分发。

由于量子纠缠非常脆弱，会随着光子在光纤内或者地表大气中的传输距离而衰减，以往的量子纠缠分发实验只停留在百公里的距离。

2017年6月，科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志等，联合中科院上海技术物理研究所王建宇组、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台、国家空间科学中心等，利用量子科学实验卫星，在相距1200千米的两个地面站之间，成功完成了贝尔不等式的测量。

这是首次实现空间尺度严格满足爱因斯坦定域性条件的量子力学非定域性检验。实验结果再次表明，爱因斯坦的愿望落空了，他的局域隐变量理论依然不成立。墨子号开展的量子纠缠分发实验在关闭局域性漏洞和测量选择漏洞的条件下，获得的实验结果以4倍标准偏差违背了贝尔不等式，即在千公里的空间尺度上实现了严格满足爱因斯坦定域性条件的量子力学非定域性检验，再次支持了玻尔的观点。

6月16日国际权威学术期刊《科学》杂志以封面论文的形式刊登了科学家在空间量子物理研究方面取得的重大突破。《科学》杂志审稿人称赞该成果是兼具潜在实际现实应用和基础科学研究重要性的重大技术突破，绝对毫无疑问将在学术界和广大的社会公众中产生非常巨大影响。

到目前为止，这是我一生中最重要的实验研究成果。潘建伟说：我们首次能在太空尺度对微观物理学定律检验，而且为将来开展量子引力检验，探索物理学中的很多基本规律奠定了必要的技术基础，打开了一扇大门。这些技术将来还能应用于建设量子网络。

潘建伟团队已经确立了更为长远的目标：下一步，我们希望能在地月拉格朗日点上放一个光源，向人造飞船和月球分发量子纠缠。我们希望能够通过对30万公里或者更远距离的纠缠分发，来观测其性质的变化，对相关的理论作出解释。