最新Nature：10萬遊戲玩家助力13個量子實驗

05-17

來自專欄知識分子

撰文 | 施郁（復旦大學物理學系教授）

知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual

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2016年11月30日，一個叫做「大貝爾測試」（The Big Bell Test）的實驗項目在全球五個洲的12個實驗室進行。在全球各地大約10萬名志願者的幫助下，這些實驗室在12個小時內做了13個貝爾實驗，其中一個是中國科學技術大學上海研究院潘建偉教授領導的光子偏振實驗。

本周三，2018年5月9日，Nature雜誌發表了這13個貝爾實驗的結果[1]，顯示定域實在論在有光子、單原子、原子系綜與超導器件等系統中被違反。這一工作代表了對量子力學基本理論的檢驗又前進了一步。

自上世紀二十年代以來，量子力學成為整個微觀物理學的基本理論框架，並且取得了巨大的成功。量子力學以前已經建立的物理學框架被稱作經典物理。量子力學的數學工具並不比經典物理的更複雜，但是量子力學的概念框架與之截然不同，以致於玻爾說：「沒被量子理論震撼就沒懂。」在人類思想史上，量子力學即使不是最重大的革命，也是最重大的革命之一[2]。

1935年，愛因斯坦、波多爾斯基（Boris Podolsky）和羅森（Nathan Rosen）以所謂的定域實在論（即定域性和實在論共同成立）為前提假設，討論了相距很遠的處於量子糾纏態的兩個粒子。定域性是指，在某處的測量不會影響到遙遠的地方。這裡的實在論是指觀測量在被觀測之前就已經確定了。愛因斯坦等人提出量子力學不完備，除了量子力學中的量子態之外，物理系統還存在額外的變數。後來人們將這些額外的變數稱作隱變數，它們代表了上面說的實在論。如果一個代替量子力學的理論包含隱變數，它就叫作隱變數理論。如果這個理論還滿足定域性，就叫定域隱變數理論。

1964年，貝爾（John Bell）發表了一個不等式，是定域隱變數理論都應該滿足的不等式。後來所有這一類的不等式都叫作貝爾不等式。最簡單的情況是關於兩個子系統，每個子系統由一個觀察者對之進行測量。用定域隱變數理論計算各種測量結果的關聯，結果滿足貝爾不等式。在量子力學中，如果這兩個子系統用某些量子糾纏態描述，那麼根據量子力學計算的結果是違反貝爾不等式的。也就是說，量子力學與定域實在論是矛盾的。

貝爾不等式將原來帶有形而上學味道的討論轉變為可以用實驗定量決定的非此即彼的判定。檢驗大自然是否滿足貝爾不等式的實驗叫作貝爾測試。作貝爾測試需要使用分居兩地又處於量子糾纏態的子系統，迅速高效的探測，以及事先不可預測的對於測量裝置的安排。後來歷史上的里程碑主要是，1972年克勞瑟（John Clauser）等人的實驗和1981年阿斯貝克特（Alain Aspect）等人的實驗，這些實驗以及後來的很多貝爾測試實驗都判定量子力學勝利，定域實在論失敗。這些工作中還存在技術性漏洞，如在探測器效率或定域性的確保上，但是一般認為，在2015年的幾個實驗中補上了。

貝爾不等式是關於兩個子系統的各種測量結果之間的關聯，涉及測量裝置的幾種不同設置，比如測量的方向。這在貝爾不等式的推導中是完全自由的，與隱變數無關。在貝爾測試中，需要自由隨機選擇這幾個不同設置。在所有以前的實驗中，都是由儀器來隨機選擇實驗裝置的安排。這是不理想的，因為萬一這些儀器所作的選擇本身就是由隱變數決定的呢？這叫做「自由選擇漏洞」。貝爾曾提出可以用人的自由選擇來保證實驗裝置的安排的不可預測性。但是當時的技術做不到。

「用人的選擇挑戰定域實在論」所報導的「大貝爾測試」就是這樣的實驗，補上了這個「自由選擇漏洞」。這些實驗中所作的選擇都是來自全球各地的約10萬個志願者。2016年11月30日的12小時內，這些志願者通過一個網路遊戲「the BIG Bell Quest」，每秒產生1000比特數據，總共產生了97347490比特數據。每個比特是0或1，被用於對實驗中所作選擇的指令。不同的實驗採用不同的數據。參加遊戲的志願者被要求在一定時間內輸入一定的隨機比特。有個機器學習演算法會根據已輸入的比特，提醒志願者避免可預測性，但是對產生的數據不作選擇。

依據這些志願者無規提供的數據來安排測量裝置，13個在不同系統的貝爾測試的結果表明了定域實在論在這些系統中被違反。

在這個實驗之前，利用網路遊戲召集志願者參與實驗已經出現在蛋白質與RNA摺疊、神經元映像以及量子計算中的優化問題。還有人建議召集世界各地的人用手機測宇宙線。這些都可以叫作全民科研（citizen science），是互聯網帶來的新的科研方法。

參考文獻：

1. The BIG Bell Test Collaboration, Challenging local realism with human choices,

Nature 557, 212–216 (2018). http://nature.com/articles/doi:10.1038/s41586-018-0085-3

2. 施郁，繼續量子科學革命，光明日報，2017 年 05 月 25 日 13 版.

【本文也發表在微信號「物理文化與施郁世界線」】

製版編輯：斯嘉麗 |

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