来自古代类星体的光有助于确认量子纠缠

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，这种看似遥远的观点认为，两个粒子，无论在空间和时间上彼此有多远，都可以密不可分地联系在一起。违背经典物理规则的方式。

例如，坐在宇宙的相对边缘的两个粒子。如果它们真正被纠缠在一起，那么根据量子力学理论，它们的物理性质应该以这样的方式相关联：任何对一个粒子的测量都应该立即传达关于另一个粒子的任何未来测量结果的信息 - 爱因斯坦怀疑地看到的相关性作为“远处的幽灵行动”。

在20世纪60年代，物理学家约翰贝尔计算了一个理论极限，超过这个界限，这种相关性必须具有量子而不是经典的解释。

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，经典的解释呢?这种“假设”被物理学家称为测试贝尔不等式的漏洞，其中最顽固的是“选择自由”漏洞：一些隐藏的经典变量可能影响实验者选择的测量值的可能性对纠缠粒子进行处理，使得结果看起来具有量子相关性，而实际上并非如此。

去年2月，麻省理工学院的团队及​​其同事通过使用600年的星光来决定两个纠缠光子的特性来衡量，从而显着限制了选择自由的漏洞。他们的实验证明，如果经典机制引起他们观察到的相关性，那么它必须在600多年前开始运动，在星星的光首次发射之前，甚至在实际的实验被构想之前很久。

现在，在今天发表在“ 物理评论快报”上的一篇论文中 ，同一个团队大大扩展了量子纠缠的案例，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，其中一个类似于78亿年前和其他122亿年前发射的光，以确定对成对纠缠光子的测量结果。他们发现超过30,000对光子之间存在相关性，其程度远远超过贝尔最初为基于经典机制计算的极限。

“如果通过一种实际上是经典的机制来模拟量子力学的一些阴谋，那么该机制将不得不开始其运作 - 以某种方式确切地知道这个实验将在何时，何地以及如何进行 - 至少78亿年前。这似乎令人难以置信地令人难以置信，因此我们有非常有力的证据证明量子力学是正确的解释，“共同作者艾伦古斯说，麻省理工学院物理学教授维克多F. Weisskopf。

“地球大约有45亿年的历史，所以任何替代机制 - 不同于量子力学 - 可能通过利用这个漏洞产生我们的结果 - 在地球行星之前很久就必须存在，更不用说了麻省理工学院，“麻省理工学院的Germeshausen科学史教授和物理学教授David Kaiser补充道。“所以我们在宇宙历史的早期就把任何其他解释都推到了一起。”

Guth和Kaiser的合着者包括Anton Zeilinger及其在奥地利科学院和维也纳大学的团队成员，以及Harvey Mudd学院和加州大学圣地亚哥分校的物理学家。

数十亿年前作出的决定

2014年，Kaiser和现任团队的两名成员Jason Gallicchio和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射击纠缠对的每个成员，朝向光探测器，也可以使用偏振器测量每个光子。研究人员将测量每个入射光子电场的偏振或方向，通过设置各个角度的偏振器并观察光子是否通过 - 研究人员可以比较的每个光子的结果，以确定粒子是否显示预测的标志相关性通过量子力学。

该团队为拟议的实验添加了一个独特的步骤，即使用来自古代遥远天文源(如恒星和类星体)的光来确定设置每个偏振器的角度。当每个纠缠光子在飞行中，以光速前往探测器时，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。如果该光比某些参考波长更红，则偏振器将以一定角度倾斜，以对进入的纠缠光子进行特定测量 - 这是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，对纠缠光子执行不同的测量。

在他们之前的实验中，该团队使用小型后院望远镜测量距离我们600光年远的恒星的光线。在他们的新研究中，研究人员使用更大，更强大的望远镜捕捉来自更古老，遥远的天体物理来源的入射光：类星体的光已经向地球传播至少78亿年 - 这些物体非常遥远然而它们是如此明亮，以至于可以从地球上观察到它们的光。

棘手的时机

在2018年1月11日，“时钟已经过了当地时间的午夜时间”，正如凯泽回忆的那样，当时大约十几名团队成员聚集在加那利群岛的山顶上并开始收集两个4米大的数据全望远镜：William Herschel望远镜和Telescopio Nazionale Galileo，两者都位于同一座山上，相隔约一公里。

一架望远镜专注于特定的类星体，而另一台望远镜则在另一片夜空中观察另一个类星体。与此同时，位于两个望远镜之间的一个站点的研究人员在每个望远镜的相反方向上产生了成对的纠缠光子和每对光束。

在每个纠缠光子到达其探测器之前的一秒钟内，仪器确定从类星体到达的单个光子是否更红或更蓝，然后测量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，”凯撒说。“一切都必须在非常紧凑的窗户内进行，每微秒左右更新一次。”

揭开海市蜃楼的神秘面纱

研究人员进行了两次实验，每次实验约15分钟，并有两对不同的类星体。对于每次运行，他们分别测量了17,663和12,420对纠缠光子。在关闭望远镜穹顶并查看初步数据的几个小时内，团队可以判断出光子对之间存在强烈的相关性，超出贝尔计算的极限，表明光子以量子力学方式相关。

Guth进行了更详细的分析，以计算一个经典机制可能产生团队观察到的相关性的机会，无论多么微不足道。

他计算出，对于两次运行中最好的一次，基于经典物理学的机制可以实现观察到的相关性的概率大约是10到负20 - 即大约一千亿亿的一部分，“非常小，“古斯说。为了进行比较，研究人员估计了希格斯玻色子的发现只有十亿分之一的概率。

“我们当然把令人难以置信的难以理解的是，当地的现实理论可能成为宇宙物理学的基础，”古斯说。

然而，选择自由漏洞仍有一个小小的开放。为了进一步限制它，该团队正在考虑进一步观察时间的想法，使用诸如宇宙微波背景光子之类的来源，这些光子在大爆炸之后立即作为剩余辐射发射，尽管这些实验将呈现一系列新的技术挑战。

“考虑一下我们未来可以设计的新型实验很有趣，但就目前而言，我们非常高兴我们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其严格的限制。正如量子力学看起来一样奇怪，它继续与我们可以设计的每一个实验测试相匹配，“凯撒说。