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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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基于超過十萬人自由意志產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)

我國科學(xué)家檢驗(yàn)量子非定域性

2018-05-14 科技日報(bào) 吳長鋒

【字體：大中小】

語音播報(bào)

貝爾測試的架構(gòu) 圖片來源：nature.com

　　中國科學(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“大貝爾實(shí)驗(yàn)”國際合作的方式，利用超過十萬人的自由意志產(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，以愛因斯坦和玻爾為代表的兩大陣營就開始了關(guān)于量子力學(xué)基礎(chǔ)的爭論。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κ脲e(cuò)的測試方法，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)致人們依然無法對這一爭論進(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)，在國際上首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了基于人類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自由意志、在地球—月球之間開展貝爾不等式檢驗(yàn)的方案，發(fā)展了GHz亮度的糾纏源和高時(shí)間分辨探測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了超高損耗下的人類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《物理評論快報(bào)》上。

　　自由意志（Free will）是哲學(xué)里的一個(gè)專業(yè)概念，使用人的自由意志來選擇測量事件甚至用人來直接進(jìn)行測量被認(rèn)為是有希望徹底解決該問題的途徑之一。

　　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)性來源，通常被稱之為“自由選擇漏洞”。更普遍來說，所有利用地球上的儀器設(shè)備直接產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)都無法被嚴(yán)格用來關(guān)閉該漏洞。

　　潘建偉團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)基于人類自由意志，在地球—月球之間開展貝爾不等式檢驗(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、探測測量等事件都滿足類空間隔條件，用于選擇測量基矢的實(shí)驗(yàn)者需要相距十萬公里以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地球直徑（不到1.3萬公里）。

　　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）來開展糾纏分發(fā)和貝爾不等式檢驗(yàn)。根據(jù)目前的技術(shù)水平，一對糾纏光子從L4（或L5）點(diǎn)被分別發(fā)送到地球和月球上測量時(shí)，至少需要承受100dB以上的損耗，這對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。

　　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)中糾纏光子對被分發(fā)到兩個(gè)測量端，并模擬了總共103dB的超高損耗，每個(gè)測量端由實(shí)驗(yàn)者獨(dú)立、隨機(jī)地選擇測量基矢，最終在關(guān)閉自由選擇漏洞下觀察到了貝爾不等式的違背，為未來在地月系統(tǒng)中開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)隨后與國際上10余個(gè)知名量子研究團(tuán)隊(duì)合作，開展“大貝爾實(shí)驗(yàn)”。該實(shí)驗(yàn)召集到了世界各地超過十萬名志愿者，所有志愿者在2016年11月30日當(dāng)天，通過互聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)參加項(xiàng)目開發(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。

　?。ㄔd于《科技日報(bào)》 2018-05-14 01版）

貝爾測試的架構(gòu) 圖片來源：nature.com
　　中國科學(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“大貝爾實(shí)驗(yàn)”國際合作的方式，利用超過十萬人的自由意志產(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，以愛因斯坦和玻爾為代表的兩大陣營就開始了關(guān)于量子力學(xué)基礎(chǔ)的爭論。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κ脲e(cuò)的測試方法，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)致人們依然無法對這一爭論進(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)，在國際上首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了基于人類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自由意志、在地球—月球之間開展貝爾不等式檢驗(yàn)的方案，發(fā)展了GHz亮度的糾纏源和高時(shí)間分辨探測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了超高損耗下的人類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《物理評論快報(bào)》上。
　　自由意志（Free will）是哲學(xué)里的一個(gè)專業(yè)概念，使用人的自由意志來選擇測量事件甚至用人來直接進(jìn)行測量被認(rèn)為是有希望徹底解決該問題的途徑之一。
　　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)性來源，通常被稱之為“自由選擇漏洞”。更普遍來說，所有利用地球上的儀器設(shè)備直接產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)都無法被嚴(yán)格用來關(guān)閉該漏洞。
　　潘建偉團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)基于人類自由意志，在地球—月球之間開展貝爾不等式檢驗(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、探測測量等事件都滿足類空間隔條件，用于選擇測量基矢的實(shí)驗(yàn)者需要相距十萬公里以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地球直徑（不到1.3萬公里）。
　　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）來開展糾纏分發(fā)和貝爾不等式檢驗(yàn)。根據(jù)目前的技術(shù)水平，一對糾纏光子從L4（或L5）點(diǎn)被分別發(fā)送到地球和月球上測量時(shí)，至少需要承受100dB以上的損耗，這對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。
　　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)中糾纏光子對被分發(fā)到兩個(gè)測量端，并模擬了總共103dB的超高損耗，每個(gè)測量端由實(shí)驗(yàn)者獨(dú)立、隨機(jī)地選擇測量基矢，最終在關(guān)閉自由選擇漏洞下觀察到了貝爾不等式的違背，為未來在地月系統(tǒng)中開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)隨后與國際上10余個(gè)知名量子研究團(tuán)隊(duì)合作，開展“大貝爾實(shí)驗(yàn)”。該實(shí)驗(yàn)召集到了世界各地超過十萬名志愿者，所有志愿者在2016年11月30日當(dāng)天，通過互聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)參加項(xiàng)目開發(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。
　　（原載于《科技日報(bào)》 2018-05-14 01版）

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