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，與世界上多個研究小組合作，通過“大貝爾實驗”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，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的測試方法，即貝爾不等式。隨后的幾十年，大量的實驗都證實了量子力學(xué)關(guān)于貝爾不等式的預(yù)言。但是這些實驗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，在國際上首次實驗實現(xiàn)了基于人類自由意志和超高損耗下的貝爾不等式檢驗。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的方案，發(fā)展了GHz亮度的糾纏源和高時間分辨探測系統(tǒng)，實現(xiàn)了超高損耗下的人類自由意志參與的貝爾不等式檢驗，這項成果于4月5日發(fā)表在《物理評論快報》上。
自由意志（Free will）是哲學(xué)里的一個專業(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驗分別關(guān)閉了兩個被大家所熟知的漏洞：“定域性漏洞”和“公平采樣假設(shè)”。但在這些實驗中，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)隊提出了一個基于人類自由意志，在地球—月球之間開展貝爾不等式檢驗的實驗方案。由于人的反應(yīng)時間在幾百毫秒左右，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驗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)隊提出利用地球、月球和地月系統(tǒng)拉格朗日點（L4或L5）來開展糾纏分發(fā)和貝爾不等式檢驗。根據(jù)目前的技術(shù)水平，一對糾纏光子從L4（或L5）點被分別發(fā)送到地球和月球上測量時，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，亮度比以往實驗中使用的糾纏源提高了兩個數(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)的高分辨時間—數(shù)字轉(zhuǎn)換（TDC）系統(tǒng)，研究團(tuán)隊在實驗室中成功實現(xiàn)了超高損耗下的貝爾不等式檢驗。實驗中糾纏光子對被分發(fā)到兩個測量端，并模擬了總共103dB的超高損耗，每個測量端由實驗者獨立、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邁出了堅實的一步。
在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊隨后與國際上10余個知名量子研究團(tuán)隊合作，開展“大貝爾實驗”。該實驗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)參加項目開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)實驗。在實驗中，所有志愿者都需要基于個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)被實時和隨機(jī)地發(fā)放給分布在世界各地的相關(guān)研究團(tuán)隊，用以控制這些研究團(tuán)隊的貝爾不等式檢驗實驗，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。
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