研究證明了量子理論的兩個(gè)基本原理的兼容性

表示實(shí)驗(yàn)中所有測(cè)量值之間的相容關(guān)系。每個(gè)測(cè)量值由一個(gè)頂點(diǎn)表示，由邊連接的頂點(diǎn)表示兼容的測(cè)量值。Alice（白色頂點(diǎn)）的兩個(gè)測(cè)量值都與Bob（黑色頂點(diǎn)）的所有測(cè)量值兼容;鮑勃測(cè)量的兼容性由五邊形表示。二乘二兼容的測(cè)量集是聯(lián)合兼容的（例如，{A0，B0，B1}。學(xué)分：物理評(píng)論快報(bào)（2023 年）。DOI：

10.1103/PhysRevLett.130.040201

量子理論是在二十世紀(jì)的前三十年制定的，它描述了分子，原子和亞原子尺度上的各種現(xiàn)象。在其眾多技術(shù)應(yīng)用中，有三種在日常生活中無(wú)處不在：激光條形碼掃描儀、發(fā)光二極管 （LED） 和全球定位系統(tǒng) （GPS）。

然而，量子物理學(xué)仍然沒(méi)有被完全理解，一些相關(guān)的現(xiàn)象似乎與常識(shí)或日常經(jīng)驗(yàn)背道而馳，不僅讓普通外行感到驚訝，也讓物理學(xué)家和科學(xué)哲學(xué)家感到驚訝。量子理論的一些違反直覺(jué)的方面是由于它的概率性質(zhì)。它提供了一組規(guī)則來(lái)計(jì)算物理系統(tǒng)可能的測(cè)量結(jié)果的概率，并且通常無(wú)法預(yù)測(cè)單個(gè)測(cè)量的實(shí)際結(jié)果。

量子物理學(xué)提出的一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的想法是非局域性，當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)以這樣一種方式產(chǎn)生或相互作用時(shí)，表現(xiàn)出現(xiàn)實(shí)的一個(gè)方面，即任何系統(tǒng)的量子態(tài)都無(wú)法獨(dú)立于其他系統(tǒng)的量子態(tài)進(jìn)行描述。從技術(shù)上講，科學(xué)家稱這種系統(tǒng)為糾纏，因?yàn)樗鼈兗词乖谶h(yuǎn)處也密切相關(guān)，并且它們的量子態(tài)不是由其組成部分的量子態(tài)定義的。

另一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的想法似乎指向相反的方向，是上下文性，根據(jù)上下文性，測(cè)量量子對(duì)象的結(jié)果取決于上下文，這意味著同時(shí)執(zhí)行其他兼容的測(cè)量。

非局部性和語(yǔ)境性誕生于量子理論，但幾十年來(lái)一直遵循獨(dú)立的路徑。2014年，科學(xué)家們進(jìn)行了一項(xiàng)涉及特定案例的研究，他們表明在量子系統(tǒng)中只能觀察到其中之一。這一發(fā)現(xiàn)被稱為一夫一妻制。作者推測(cè)，非局部性和上下文性是以一種或另一種方式觀察到的相同一般行為的不同方面。

然而，現(xiàn)在巴西和中國(guó)研究人員的一項(xiàng)研究在理論和實(shí)驗(yàn)上都表明事實(shí)并非如此。一篇關(guān)于這項(xiàng)研究的文章發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上，并作為編輯的建議突出顯示。

該研究由Rafael Rabelo領(lǐng)導(dǎo)，他是該文章的最后一作者，也是巴西坎皮納斯州立大學(xué)Gleb Wataghin物理研究所（IFGW-UNICAMP）的教授。

第一作者是中國(guó)北京計(jì)算科學(xué)研究中心的薛鵬和肖磊。其他合著者都隸屬于巴西機(jī)構(gòu)，他們是加布里埃爾·魯弗洛和安德烈·馬扎里，他們也是IFGW-UNICAMP的研究員;同一所大學(xué)數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)和科學(xué)計(jì)算研究所（IMECC-UNICAMP）的馬塞洛·特拉·庫(kù)尼亞;和阿拉戈斯聯(lián)邦研究所的塔西烏斯·特米斯托克勒斯。

“我們證明了這兩種現(xiàn)象確實(shí)可以在量子系統(tǒng)中同時(shí)觀察到。該理論方法是在巴西開(kāi)發(fā)的，并由我們的中國(guó)合作者在量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證，“Rabelo告訴Agência FAPESP。

這項(xiàng)新研究明確表明，量子物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)不同的兩種基本方式可以在同一系統(tǒng)中同時(shí)觀察到，這與通常的看法相反。“因此，非地方性和背景性顯然不是同一現(xiàn)象的互補(bǔ)表現(xiàn)，”拉貝洛說(shuō)。

實(shí)際上，非局部性是量子加密的重要資源，而上下文性是特定量子計(jì)算模型的基礎(chǔ)，以及其他應(yīng)用。“在同一系統(tǒng)中同時(shí)擁有兩者的可能性可以為開(kāi)發(fā)新的量子信息處理和量子通信協(xié)議鋪平道路，”他說(shuō)。

  貝爾定理

非局域性的概念是對(duì)阿爾伯特·愛(ài)因斯坦（1879-1955）對(duì)量子物理學(xué)概率性質(zhì)提出的反對(duì)意見(jiàn)的一種回答。在1935年發(fā)表的一篇開(kāi)創(chuàng)性文章中，愛(ài)因斯坦，鮑里斯·波多爾斯基（1896-1966）和內(nèi)森·羅森（1909-1995）或EPR質(zhì)疑量子理論的完整性。

他們提出了一個(gè)被稱為EPR悖論的思想實(shí)驗(yàn)：為了證明某些由糾纏產(chǎn)生的非經(jīng)典相關(guān)性的合理性，遙遠(yuǎn)的量子系統(tǒng)必須立即交換信息，根據(jù)狹義相對(duì)論，這是不可能的。他們得出結(jié)論，這個(gè)悖論是由于量子理論的不完備性。EPR認(rèn)為，這種不完備性可以通過(guò)包括局部隱變量來(lái)糾正，這些變量將使量子物理學(xué)像經(jīng)典物理學(xué)一樣具有確定性。

1964年，英國(guó)物理學(xué)家J.S.貝爾（1928-1990）重新審視了EPR論點(diǎn)，引入了一種優(yōu)雅的形式主義，涵蓋了局部隱變量的所有理論，無(wú)論每個(gè)變量可能具有的特定屬性如何。貝爾證明，這些理論都無(wú)法重現(xiàn)量子物理學(xué)預(yù)測(cè)的兩個(gè)系統(tǒng)所進(jìn)行的測(cè)量之間的相關(guān)性。在我看來(lái)，這個(gè)結(jié)果，后來(lái)被稱為貝爾定理，是量子物理學(xué)最重要的支柱之一。具有任何局部理論都無(wú)法重現(xiàn)的強(qiáng)相關(guān)性的性質(zhì)現(xiàn)在被稱為貝爾非局部性。阿蘭·阿克瑞、約翰·克勞瑟和安東·蔡林格因通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察貝爾非局域性等成就而獲得 2022 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，“拉貝洛說(shuō)。

討論隱變量的另一個(gè)重要結(jié)果是在Simon Kochen（1934-）和Ernst Specker（1920-2011）于1967年發(fā)表的一篇文章中提出的。作者證明，由于量子測(cè)量的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)性質(zhì)，任何再現(xiàn)量子物理學(xué)預(yù)測(cè)的隱變量理論都必須表現(xiàn)出上下文方面。

“盡管有共同的動(dòng)機(jī)，但對(duì)貝爾非地方性和Kochen-Specker語(yǔ)境的研究在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)都遵循了獨(dú)立的路徑。直到最近，人們才越來(lái)越有興趣找出這兩種現(xiàn)象是否可以在同一物理系統(tǒng)中同時(shí)顯現(xiàn)。在2014年發(fā)表的一篇文章中，Pawel Kurzynski，Adán Cabello和Dagomir Kaszlikowski說(shuō)不。他們通過(guò)一個(gè)特定的案例展示了原因，但仍然是一個(gè)有趣的案例。我們現(xiàn)在在我們的研究中駁斥了'不'，“拉貝洛說(shuō)。

更多信息：彭雪等，貝爾非局域性和狀態(tài)依賴性情境的同步觀察，《物理評(píng)論快報(bào)》（2023）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.130.040201

期刊信息：物理評(píng)論快報(bào)