古类星体为量子纠缠提供了难以置信的证据

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利用两个被称为类星体的古老星系核,研究人员在证实量子纠缠方面迈出了巨大的一步。量子纠缠是一个概念,即无论粒子

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利用两个被称为类星体的古老星系核,研究人员在证实量子纠缠方面迈出了巨大的一步。量子纠缠是一个概念,即无论粒子在宇宙中相距多远,它们的性质都可以联系在一起。如果量子纠缠是有效的,那么一对纠缠的粒子彼此之间可能存在数十亿光年之遥,影响一个粒子性质的行为将影响另一个粒子的性质。阿尔伯特·爱因斯坦将粒子间的这种关联描述为“在一定距离上的怪异行为”。


博科园-科学科普:去年来自麻省理工学院、维也纳大学(University of Vienna)等机构的物理学家为量子纠缠提供了强有力的证据,而现在,同一组科学家甚至进一步证实了量子纠缠。根据麻省理工学院对这项新工作的描述,试图证明量子纠缠的科学家们必须证明,粒子之间的测量关联无法用经典物理学来解释。20世纪60年代,物理学家约翰·贝尔(John Bell)计算出了一个理论极限,超过了这个极限,粒子之间的关联必须有量子,而不是经典的解释。

艺术概念射电射流从类星体PSO J352.4034-15.3373喷射出快速移动的物质,该类星体距离地球约130亿光年。研究人员利用两个古代类星体为量子纠缠提供了难以置信的证据。图片:Robin Dienel/Carnegie Institution for Science

但是麻省理工学院的研究人员说,在这个理论上的限制中存在漏洞,在这个限制中,对看似相关的粒子的观察有一个隐藏的经典解释。科学家们正在努力消除的这些漏洞之一就是所谓的“自由选择”漏洞,即未知的经典影响可能正在影响对纠缠粒子的测量。有了这个漏洞,研究人员可以在没有量子关联的情况下观察到量子关联。去年,这组科学家利用600年前的星光证明,如果他们观察到的粒子间的关联可以用经典物理学来解释的话,那么这个经典的起源可能要追溯到600多年前——在这颗恒星的光出现之前。


为了进一步弥补这一漏洞,这些研究人员现在使用遥远的古代类星体——发光的、充满能量的星系核——来观察粒子之间的关联是否可以用600年前的经典力学来解释。换句话说从去年的研究中获得了成功,并扩大了规模,为量子纠缠提供了进一步的证据。为了做到这一点,选择使用78亿年前和122亿年前发光的类星体。研究人员利用这两个类星体发出的光来确定倾斜偏振器的角度,偏振镜测量每个光子电场的方向。使用探测器上的望远镜来测量来自类星体的纠缠光子(光粒子)的波长。

远处的类星体B1608+656被前景较近的两个星系撞成明亮的弧线,研究人员使用了两个数十亿年前发出光的古代类星体,为量子纠缠提供了证据。图片:ESA/Hubble, NASA, Suyu et al.

如果光比参考波长更红(参考波长是一种用于比较的测量方法,其波长与所研究的波长不同),偏振器就会倾斜来测量进入的光子。如果光比参考波长蓝,偏振器就会倾斜到不同的角度来测量光子。在去年进行的研究中,研究人员使用的小型望远镜只能测量600光年以外的恒星发出的光,但通过使用更大、更强大的望远镜,研究人员现在已经能够测量来自更古老、更遥远类星体的光,在研究这些古老类星体的纠缠光子时,研究小组发现了超过3万对光子的相关性。

这些关联远远超出了贝尔设定的极限,表明如果有任何关于相关粒子的经典解释,它必须来自于这些古老类星体发出光之前——几十亿年前。麻省理工学院的物理学家、这项新研究的合著者艾伦·古斯(Alan Guth)在声明中说:如果有什么阴谋通过一种真正经典的机制来模拟量子力学,那么这个机制至少要在78亿年前就开始运作了——以某种方式知道这个实验将在何时、何地以及如何进行。

这似乎难以置信,所以我们有非常有力的证据证明量子力学是正确的解释。因此,有了这些发现,测量出来的相关性有一个经典的解释是“不可信的”。这有力地证明了量子力学导致了这种关联,并且量子纠缠是有效的。地球大约有45亿年的历史,所以任何可能通过利用这个漏洞得出我们结论的替代机制(与量子力学不同)都必须在地球出现之前很久就存在了,因此,把任何其他的解释都推回到宇宙历史的早期。

博科园-科学科普|文:Chelsea Gohd/Space

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