中国科大实现基于人类自由意志的量子非定域性检验

中国科学技术大学教授潘建伟及其同事彭承志、印娟、张强、陈宇翱等组成的研究团队，在国际上首次实验实现了基于人类自由意志和超高损耗下的贝尔不等式检验。他们在上述研究成果中，首先提出了基于人类自由意志、在地球-月球之间开展贝尔不等式检验的方案，发展了GHz亮度的纠缠源和高时间分辨探测系统，实现了超高损耗下的人类自由意志参与的贝尔不等式检验，该成果于4月5日发表在《物理评论快报》上；在此基础上，他们进一步与世界上多个研究小组合作，通过“大贝尔实验”（Big Bell Test）国际合作的方式，利用超过十万人的自由意志产生的随机数进行了量子非定域性检验，相关成果于5月10日（北京时间）发表在《自然》杂志上。

早在上世纪初量子力学刚刚建立不久，以爱因斯坦和玻尔为代表的两大阵营就开始了关于量子力学基础的争论。1964年，约翰·贝尔提出了一种可以区分量子力学与局域实在论孰对孰错的测试方法，即贝尔不等式。随后的几十年，大量的实验都证实了量子力学关于贝尔不等式的预言。但是这些实验并不能够完美满足贝尔不等式的假设条件，或多或少地存在一些漏洞，导致人们依然无法对这一争论进行最终判定。

此前诸多贝尔不等式实验分别关闭了两个被大家所熟知的漏洞：“定域性漏洞（locality loophole）”和“公平采样假设（fair-sampling assumption）”。但在这些实验中，使用的是量子随机数发生器产生的随机数，随机数的产生与纠缠的产生有可能在很久的过去被某个隐变量共同支配着，因而这种随机数可能受到隐变量控制而不能作为真正的随机性来源，通常称之为“自由选择漏洞（measurement independence loophole）”。更普遍来说，所有利用地球上的仪器设备直接产生的随机数都无法被严格用来关闭该漏洞。自由意志（Free will）是哲学里的一个专业概念，使用人的自由意志来选择测量事件甚至用人来直接进行测量被认为是有希望彻底解决该问题的途径之一。

潘建伟团队提出了一个基于人类自由意志，在地球-月球之间开展贝尔不等式检验的实验方案。由于人的反应时间在几百毫秒左右，为了让纠缠产生、基矢选择、探测测量等事件都满足类空间隔条件，用于选择测量基矢的实验者需要相距十万公里以上，远远大于地球直径（不到1.3万公里）。团队提出利用地球、月球和地月系统拉格朗日点(L4或L5)来开展纠缠分发和贝尔不等式检验，如图所示。根据目前的技术水平，一对纠缠光子从L4（或L5）点被分别发送到地球和月球上测量时，至少需要承受100dB以上的损耗，这对量子纠缠源的亮度提出了更高的要求。为此，研究团队研制了基于PPKTP晶体0型准相位匹配和Sagnac干涉环的量子纠缠源，在16mW的低泵浦功率下每秒可产生十亿对纠缠光子，亮度比以往实验中使用的纠缠源提高了两个数量级。

2014年，在发展使用全新超高亮度纠缠源技术的基础上，配合自主研发的高分辨时间-数字转换（TDC）系统，研究团队在实验室中成功实现了超高损耗下的贝尔不等式检验。实验中纠缠光子对被分发到两个测量端，并模拟了总共103dB的超高损耗，每个测量端由实验者独立、随机地选择测量基矢，最终在关闭自由选择漏洞下观察到了贝尔不等式的违背，为未来在地月系统中开展量子非定域性的终极检验迈出了坚实的一步。

在此基础上，该团队随后与国际上10余个知名量子研究团队合作，开展“大贝尔实验”（the Big Bell Test）。该实验召集到了世界各地超过十万名志愿者，所有志愿者在2016年11月30日当天，通过互联网和手机无线网络参加项目开发的网络实验。在实验中，所有志愿者都需要基于个人的自由意志不断地进行选择形成二进制随机数，并记录在互联网云端。这些随机数被实时和随机地发放给分布在世界各地的相关研究团队，用以控制这些研究团队的贝尔不等式检验实验，通过更多参与者的自由意志，在更广泛的范围内关闭了自由选择漏洞。

上述研究得到了国家自然科学基金委、中科院、科技部和安徽省等的支持，在大贝尔实验志愿者召集方面得到了中国科大宣传部、墨子沙龙和腾讯视频的帮助。

未来基于地月系统的Bell不等式检验方案示意图