苏黎世联邦理工学院的研究人员展示了远距离的量子力学相关性

在固态物理学教授 Andreas Wallraff 的带领下，研究人员进行了一项无漏洞的贝尔测试，以反驳阿尔伯特爱因斯坦针对量子力学提出的“局部因果关系”概念。 通过证明相距很远的量子力学对象可以比传统系统中更强烈地相互关联，研究人员为量子力学提供了进一步的证实。 这个实验的特别之处在于，研究人员首次能够使用超导电路来执行它，超导电路被认为是构建强大量子计算机的有希望的候选者。

贝尔测试基于一个实验装置，该装置最初是由英国物理学家约翰贝尔在 1960 年代作为思想实验设计的。 贝尔想解决一个物理学界的伟人在 1930 年代就已经争论不休的问题：完全违背日常直觉的量子力学的预测是否正确，或者传统的因果关系概念是否也适用于原子微观世界，正如爱因斯坦所相信的那样？

为了回答这个问题，贝尔提出同时对两个纠缠粒子进行随机测量，并根据贝尔不等式进行检验。 如果爱因斯坦的局部因果关系概念是正确的，那么这些实验将始终满足贝尔不等式。 相比之下，量子力学预测它们会违反它。

1970年代初，去年获得诺贝尔物理学奖的约翰·弗朗西斯·克劳塞和斯图尔特·弗里德曼进行了第一次实用的贝尔试验。 在他们的实验中，这两位研究人员能够证明贝尔不等式确实被违反了。 但他们必须在实验中做出某些假设才能首先进行实验。 因此，从理论上讲，爱因斯坦对量子力学持怀疑态度可能仍然是正确的。

然而，随着时间的推移，更多的漏洞可能会被堵上。 终于在2015年，各组成功进行了第一次真正无漏洞的Bell测试，终于平息了旧有的纷争。

Wallraff 的团队表示，他们现在可以通过一项新颖的实验来证实这些结果。 ETH研究人员的工作发表在著名的科学期刊上 自然 表明尽管七年前就已初步确认，但有关该主题的研究尚未得出结论。 有几个原因。 一方面，ETH 研究人员的实验证实超导电路也根据量子力学定律运行，即使它们比光子或离子等微观量子物体大得多。 由超导材料制成并在微波频率下运行的数百微米大小的电子电路被称为宏观量子物体。

另一方面，贝尔测试也有实际意义。 “例如，修改后的贝尔测试可用于密码学，以证明信息实际上是以加密形式传输的，”Wallraff 小组的博士生 Simon Storz 解释道。 “通过我们的方法，我们可以比其他实验装置更有效地证明违反了贝尔不等式。 这使得它在实际应用中特别有趣。”

因此，在设置实验时，重要的是要取得平衡：两个超导电路之间的距离越大，可用于测量的时间就越多——实验设置也变得越复杂。 这是因为整个实验必须在接近绝对零的真空中进行。

ETH 研究人员已确定成功执行无漏洞贝尔测试的最短距离约为 33 米，因为光粒子在真空中行进该距离大约需要 110 纳秒。 这比研究人员进行实验所用的时间多了几纳秒。

Wallraff 的团队在 ETH 校园的地下通道中建造了一个令人印象深刻的设施。 在它的两端各有一个包含超导电路的低温恒温器。 这两个冷却装置通过一根 30 米长的管子连接，管子内部的温度被冷却到刚好高于绝对零温度 (–273.15°C)。

在每次测量开始之前，微波光子从两个超导电路之一传输到另一个，使两个电路纠缠在一起。 然后，随机数生成器决定在两个电路上进行哪些测量，作为贝尔测试的一部分。 接下来，比较两侧的测量结果。

在评估了超过一百万次测量后，研究人员以非常高的统计确定性表明，在该实验设置中违反了贝尔不等式。 换句话说，他们已经证实量子力学也允许宏观电路中的非局部相关，因此超导电路可以在很远的距离上纠缠。 这为分布式量子计算和量子密码学领域开辟了有趣的可能应用。

Wallraff 说，建造设施和进行测试是一项挑战。 “借助 ERC 高级补助金，我们能够在六年的时间内为该项目提供资金。” 仅仅将整个实验装置冷却到接近绝对零的温度就需要相当大的努力。 “我们的机器中有 1.3 吨铜和 14,000 个螺丝，以及大量的物理知识和工程技术诀窍，”Wallraff 说。 他认为，原则上可以建造以同样方式克服更远距离的设施。 例如，这项技术可用于远距离连接超导量子计算机。