貝爾測(cè)試的架構(gòu) 圖片來(lái)源：nature.com
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事彭承志、陳宇翱等組成的研究團(tuán)隊(duì)，與世界上多個(gè)研究小組合作，通過(guò)“大貝爾實(shí)驗(yàn)”國(guó)際合作的方式，利用超過(guò)十萬(wàn)人的自由意志產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行了量子非定域性檢驗(yàn)，相關(guān)成果日前發(fā)表在《自然》雜志上。
早在上世紀(jì)初量子力學(xué)剛剛建立不久，以愛(ài)因斯坦和玻爾為代表的兩大陣營(yíng)就開(kāi)始了關(guān)于量子力學(xué)基礎(chǔ)的爭(zhēng)論。1964年，約翰·貝爾提出了一種可以區(qū)分量子力學(xué)與局域?qū)嵲谡撌雽?duì)孰錯(cuò)的測(cè)試方法，即貝爾不等式。隨后的幾十年，大量的實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了量子力學(xué)關(guān)于貝爾不等式的預(yù)言。但是這些實(shí)驗(yàn)并不能夠完美滿(mǎn)足貝爾不等式的假設(shè)條件，或多或少地存在一些漏洞，導(dǎo)致人們依然無(wú)法對(duì)這一爭(zhēng)論進(jìn)行最終判定。
潘建偉及其同事彭承志、陳宇翱等組成的研究團(tuán)隊(duì)，在國(guó)際上首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了基于人類(lèi)自由意志和超高損耗下的貝爾不等式檢驗(yàn)。他們首先提出了基于人類(lèi)自由意志、在地球—月球之間開(kāi)展貝爾不等式檢驗(yàn)的方案，發(fā)展了GHz亮度的糾纏源和高時(shí)間分辨探測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了超高損耗下的人類(lèi)自由意志參與的貝爾不等式檢驗(yàn)，這項(xiàng)成果于4月5日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。
自由意志（Free will）是哲學(xué)里的一個(gè)專(zhuān)業(yè)概念，使用人的自由意志來(lái)選擇測(cè)量事件甚至用人來(lái)直接進(jìn)行測(cè)量被認(rèn)為是有希望徹底解決該問(wèn)題的途徑之一。
此前諸多貝爾不等式實(shí)驗(yàn)分別關(guān)閉了兩個(gè)被大家所熟知的漏洞：“定域性漏洞”和“公平采樣假設(shè)”。但在這些實(shí)驗(yàn)中，使用的是量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生與糾纏的產(chǎn)生有可能在很久的過(guò)去被某個(gè)隱變量共同支配著，因而這種隨機(jī)數(shù)可能受到隱變量控制而不能作為真正的隨機(jī)性來(lái)源，通常被稱(chēng)之為“自由選擇漏洞”。更普遍來(lái)說(shuō)，所有利用地球上的儀器設(shè)備直接產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)都無(wú)法被嚴(yán)格用來(lái)關(guān)閉該漏洞。
潘建偉團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)基于人類(lèi)自由意志，在地球—月球之間開(kāi)展貝爾不等式檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方案。由于人的反應(yīng)時(shí)間在幾百毫秒左右，為了讓糾纏產(chǎn)生、基矢選擇、探測(cè)測(cè)量等事件都滿(mǎn)足類(lèi)空間隔條件，用于選擇測(cè)量基矢的實(shí)驗(yàn)者需要相距十萬(wàn)公里以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地球直徑（不到1.3萬(wàn)公里）。
團(tuán)隊(duì)提出利用地球、月球和地月系統(tǒng)拉格朗日點(diǎn)（L4或L5）來(lái)開(kāi)展糾纏分發(fā)和貝爾不等式檢驗(yàn)。根據(jù)目前的技術(shù)水平，一對(duì)糾纏光子從L4（或L5）點(diǎn)被分別發(fā)送到地球和月球上測(cè)量時(shí)，至少需要承受100dB以上的損耗，這對(duì)量子糾纏源的亮度提出了更高的要求。為此，研究團(tuán)隊(duì)研制了基于PPKTP晶體0型準(zhǔn)相位匹配和Sagnac干涉環(huán)的量子糾纏源，在16mW的低泵浦功率下每秒可產(chǎn)生十億對(duì)糾纏光子，亮度比以往實(shí)驗(yàn)中使用的糾纏源提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
2014年，在發(fā)展使用全新超高亮度糾纏源技術(shù)的基礎(chǔ)上，配合自主研發(fā)的高分辨時(shí)間—數(shù)字轉(zhuǎn)換（TDC）系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中成功實(shí)現(xiàn)了超高損耗下的貝爾不等式檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中糾纏光子對(duì)被分發(fā)到兩個(gè)測(cè)量端，并模擬了總共103dB的超高損耗，每個(gè)測(cè)量端由實(shí)驗(yàn)者獨(dú)立、隨機(jī)地選擇測(cè)量基矢，最終在關(guān)閉自由選擇漏洞下觀(guān)察到了貝爾不等式的違背，為未來(lái)在地月系統(tǒng)中開(kāi)展量子非定域性的終極檢驗(yàn)邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。
在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)隨后與國(guó)際上10余個(gè)知名量子研究團(tuán)隊(duì)合作，開(kāi)展“大貝爾實(shí)驗(yàn)”。該實(shí)驗(yàn)召集到了世界各地超過(guò)十萬(wàn)名志愿者，所有志愿者在2016年11月30日當(dāng)天，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)參加項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，所有志愿者都需要基于個(gè)人的自由意志不斷地進(jìn)行選擇形成二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)，并記錄在互聯(lián)網(wǎng)云端。這些隨機(jī)數(shù)被實(shí)時(shí)和隨機(jī)地發(fā)放給分布在世界各地的相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)，用以控制這些研究團(tuán)隊(duì)的貝爾不等式檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)更多參與者的自由意志，在更廣泛的范圍內(nèi)關(guān)閉了自由選擇漏洞。
?。萍既?qǐng)?bào)合肥5月13日電）
