在量子蹦床上跳吧,细菌们!


我曾经提到过,自己目前的研究重点之一,就是设计出合适的方案,在实验上实现处于量子叠加态的生命体。最近与美国普渡大学的李统藏教授合作,我们终于取得了一个阶段性的成果,找到了一个实验可行的途径,来制备生物的量子叠加态[1]。最近几年引领生命体的量子叠加态研究的,是Romero-Isart的这篇论文[2],他们提出用光抓住真空中的病毒,然后用光学腔冷却病毒的质心运动到量子基态,进而制备病毒运动量子叠加态。更多的介绍,见我的这篇文章。 虽然Romero-Isart等人的论文很有影响力,也很有启发性,可是问题在于,他们忽略了病毒并不是完全透明的,激光照射下会吸收光升温。被光抓在真 空下,这些被吸收的能量聚集在病毒内部,就会导致它被烧死。所以,他们的方案只能适用于制备完全透明纳米粒子的量子叠加态。

另外一方面,用腔光(电)力学边带冷却的技术,纳米薄膜振子已经被冷却到 了量子基态。这个在显微镜中如同蹦床一样的振子大小大概是15微米,比病毒或者细菌大多了。比如说,典型的支原体细菌的直径为0.1微米,其质量只是薄膜 振子的质量的万分之一。同时用冷冻的办法可以长时间的保持细菌的生物活性。如果我们把细菌的冷冻起来,然后附着在薄膜振子表面,振子的频率与品质因子(振 动的寿命)基本都不会变化。然后再用同样的边带冷却的技术,把薄膜振子冷却到量子基态,应该也不会有困难。换句话说,附着在振子上的细菌也被冷却到了量子 基态附近。

无标题

如上图所示,与光悬浮的病毒不同,这个细菌身处于薄膜振子之上,周围的环境是超导电路以及电路发出的GHz微波电磁波。对这个波段的电磁波来说,细菌是透 明的。不仅如此,与超导电路耦合在一起的薄膜机械振子可以很容易的被制备到各种量子状态,比如说量子叠加态,量子纠缠态等等。用微波电路作为媒介,可以让 两个互相远离的薄膜纠缠起来,从而实现了远距离的两个微生物之间的量子纠缠。我们还可以实现量子隐形传态,把一个微生物的量子态传输到另外一个微生物上。

我们相信这个实验方案现在就能在实验室里面进行验证。自从1935年薛定谔提出了薛定谔猫这个悖论(或者理想实验)以来[3],物理学家对宏观系统的量子叠 加态越来越感兴趣。但是按照原始的定义,生命体的量子叠加态与量子纠缠态才是最让人不可思议的。我们相信,这个方案能实现薛定谔想象中的生命体的量子叠加 态,目前的技术完全可以做到这一点。一旦实验成功,那么薛定谔的猫就不再是空想,而是实实在在的实验现实了。

不仅如此,我们还发现这个系统 还在结构生物学中有很重要的应用潜力。我们知道,结构生物学中一个重大的技术难题就是对大分子的结构进行原位测量,从而分析出其功能。最近几年,冷冻电镜 有很大进步,能够实现蛋白质大分子的0.3纳米精度的解析。问题在于,这个技术不可能看到单个分子,是对大量分子测量数据进行平均的结果。另外一方面,纳米金刚石色心也被用于生物探测,可以测量生物体的温度,磁场,以及单个分子的原子核的位置等等。

对我们这个系统,如果在微生物上方放置一个微小的磁头,引入强的梯度磁场,就可以让微生物的内部电子自旋自由度与其质心振动耦合起来。微生物中经常存在所谓的自由基等自由电子,当其 DNA分子出现缺陷的时候,也可能会在缺陷处附着一个电子。我们可以通过控制磁头与外加控制微波场来选择性的只让一个电子与薄膜振子耦合起来,然后通过薄膜与微波电路的耦合,最终通过对超导微波电路的输出谱来测量出电子的位置和状态。我们由此可以得到细菌内部的自由基的分布。

这个技术与金刚石色心不同的地方在于,我们不需要其中的电子发可见光,大大的扩展了技术的应用范围。相比冷冻电镜,可以直接看到单个分子的内部结构,而不是大量分子的平均结果。

参考文献

[1] Tongcang Li and Zhang-Qi Yin, Quantum superposition, entanglement, and state teleportation of a microorganism on an electromechanical oscillator, arXiv:1509.03763

[2] O Romero-Isart, M. L. Juan, R. Quidant and J. I. Cirac, Towards quantum superposition of living organisms, New J. Phys. 12, 033015 (2010).

[3] E Schrodinger, Die gegenwartige situation in derquantenmechanik, Naturwissenschaften, 23, 807 (1935)

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贝尔不等式得到了几乎无漏洞的验证


本文首发《赛先生》微信公众号,发表时的题目是《最新实验宣告爱因斯坦隐变量理论出局?》如 果问一位物理学家,史上最成功的物理理论是哪个?十有八九,他会回答量子理论。从1900年普朗克发明量子论开始,到1927年海森堡和薛定谔确立了量子 力学的数学形式,短短几十年量子理论就占据物理学中的统治地位。人们用它来解释基本粒子的性质,原子发光光谱,原子组成材料的特性,甚至是宇宙的诞生与演 化。这一百多年中,量子理论在几乎所有的地方几乎都取得了巨大的成功。但对它的根基是否完备这一问题,人们一直有争议。根据量子 理论,测量会导致系统波函数的塌缩,被测物理量的数值才被确定。这非常的奇怪,难道说在测量之前物理量就没有意义么?进而言之,没有观察者,现实世界就不 存在么?从1920到1930年代,爱因斯坦和波尔就量子力学是否完备,量子力学的本质是什么进行了多次论战。1935年,爱因斯坦,波多斯基和罗森 (EPR)三人提出了一个佯谬,指出要么量子理论是不完备的,要么量子力学会导致超光速的作用,与局域性相违背[1]。根 据量子理论,微观粒子可以处于量子叠加态。比如说电子有自旋有向上和向下两种状态,这两种自旋态可以处于任意的叠加态。如果有两个电子,两个电子的自旋态 有四种可能:上上,下下,上下和下上。把它们被制备到相互纠缠的状态:自旋同时向上和同时向下的叠加态。当我们测量出一个电子的自旋是向上(向下)的,那 么另外一个电子的自旋态就塌缩到向上(向下)的状态,不论电子之间的距离到底有多远。这个塌缩的是瞬时的,传递速度超越了光速。最新的实验表明,这个超距相互作用传递速度至少是光速的一万倍[2]。

在 爱因斯坦看来,这种超距相互作用是不可思议的,违背了狭义相对论。他认为电子的状态在测量之前就确定好了,自旋状态与测量无关。他呼吁建立一个更一般的局 域实在论理论来弥补量子理论的不足,消除超距作用。作为爱因斯坦思想的继承人,玻姆在1952年在标准量子理论中加入了“隐变量”[3],把它变为了一个完全决定性的理论。需要指出的是,后来的研究表明,量子纠缠的超距作用无法实现信息的超光速传递,相对论并没有被破坏。

英国物理学家约翰.贝尔1928年出生,那时量子力学的数学形式已经确立了。等他上大学时,波尔学派对量子理论的解释已经占据了主导地位,但是贝尔对此一直有疑惑。当他读到爱因斯坦与波尔的论战文章后,站在了爱因斯坦一方,因为他觉得爱因斯坦远比波尔聪明。因此,当玻姆隐变量理论出现后,贝尔就成为了隐变量的支持者。但他不喜欢玻姆理论中的非局域性,希望找到一个局域的隐变量理论。贝尔大学毕业后成为了粒子加速器理论的专家,对量子理论的基础的思考,只是业余爱好。贝尔思考了这个问题十几年,他认为问题的关键在于找到一个 实验可以验证的判据,来判定隐变量理论与量子理论到底哪个正确。

1963年,贝尔获得了到美国加州斯坦福直线加速器实验室工作一年的机会,从而有时间专门研究隐变量理论。1964年,他定义了一个可观测量,并基于隐变量理论预言的测量值都不大于2 [4]。而用量子理论,可以得出其最大值可以到2\sqrt{2}。一旦实验测量的结果大于2,就意味着局域隐变量理论是错误的。贝尔不等式的诞生,宣告了量子理论的局域性争议,从带哲学色彩纯粹思辨变为实验可证伪的科学理论。

虽然贝尔研究隐变量理论的初衷是要证明量子理论非局域性有误,可后来所有的实验都表明局域隐变量理论预言有误,而量子理论的预言与实验一致。1972年,第一个验证量子力学非局域性的实验出现了[5]。1982年,贝尔不等式得到A. Aspect等人验证, 量子理论胜出[6]。但这些实验中存在漏洞。首先是局域性漏洞:两个纠缠的光子距离太近,对贝尔不等式的违背,有可能是靠某个不大于光速的通讯通道来实现 的,而非源自量子理论非局域性。其次是测量漏洞:这些实验是用光子做的,光子探测器效率不够高(阈值是82.8%),不能排除测量漏洞。

从 Aspect验证贝尔不等式开始到现在,三十多年过去了,人们在光子,原子,离子,超导比特,固态量子比特等许多系统中都验证了贝尔不等式,所有的实验都 支持量子理论。有部分基于光子的实验排除了局域性漏洞,可是受限于光子探测器效率,没有排除测量漏洞。有部分基于原子或离子的实验,由于对离子能级探测效 率接近于1,排除了测量漏洞,但没有排除局域性漏洞。到目前为止还没有一个实验能同时排除局域性漏洞和测量漏洞。

荷兰Delft技术大学的汉森研究组,最近在预印本网站arXiv.org上公布了一篇实验论文, 报道了他们在金刚石色心系统中完成的验证贝尔不等式的实验[7]。之所以选择用金刚石色心来做这个实验,有以下几个原因。首先,色心所发出的光子在可见光 波段,在光纤中传播损耗非常小。其次,探测色心状态所需要的的时间很短,只要几个微秒。因此,要避免局域性漏洞,只需把两个金刚石色心放置在相距1.3公 里的两个实验室。利用纠缠光子对和纠缠交换技术,他们实现了金刚石色心电子之间的纠缠。两个色心直接用光通讯所需时间大概4.27微秒,而完成一次实验的 时间为4.18微秒,比光通信时间少90纳秒,因此解决了局域性漏洞。此外,色心的测量效率高达96%,测量漏洞也被堵上了。总之,他们声称实现了无漏洞 的验证贝尔不等式的实验,在96%的置信度(2.1个标准差)上支持量子理论,从而证伪了局域的隐变量理论。

这是一个极为重要的 实验,学界等待一个无漏洞的贝尔不等式验证实验太久了,它标志着贝尔不等式得到了几乎无漏洞的实验验证,可以被称为贝尔定律了。这个实验也宣告了局域隐变 量理论的死刑:量子非局域性是真实的。很可惜,贝尔本人没能看到这个实验。早在1990年,他就由于中风突然离世。贝尔直到去世前还在研究如何修正正统的 测量理论和波函数塌缩理论。尽管一辈子都对量子理论的非局域性和波函数塌缩心怀疑虑,贝尔却恰恰是对量子非局域性研究贡献最大的那个人。

如 果说实验还有什么缺陷的话,首先是置信度不够高,通常我们至少需要有三个标准差的置信度。要得到更让人信服的结果,需要积累更多数据才行。此外,还有 “自由意志选择”漏洞未被排除。这个漏洞指的是测量时基矢并非随机选择。在这个实验中,用随机数发生器来选择基矢的,这会受到决定论的挑战。类空间距的量 子随机数发生器,其反向光锥在过去的某一点总会相交的,原则上总可以受共同的隐变量来操控,破坏了测量独立性。要解决这个漏洞,必须要依赖人的意志来进行 自由选择。人做出选择需要的时间大概是几百毫秒,因此距离至少需要有几万公里[8]。未来,如果我们可以在月亮和地球之间完成对贝尔不等式的验证,就可以 弥补这个漏洞。

除此之外,这个实验也有很大的应用价值。无漏洞的贝尔不等式验证实验,为未来实现器件无关的的随机数发生器和量子 密钥分发技术提供了技术储备。随着量子密钥分发技术的成熟和广泛应用,今后全量子网络技术将会越来越受到关注。这个实验所实现的距离1.3公里两个固态量 子比特之间的量子纠缠制备,是未来实用化的全量子互联网的重要技术支撑。

最后,非常感谢徐达,祖充,魏朝辉,张文卓等人对本文提出的宝贵意见和建议。

参考文献

[1] A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen. “Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?” Phys. Rev. 47, 777 (1935).

[2] Juan Yin, and et al. “Lower Bound on the Speed of Nonlocal Correlations without Locality and Measurement Choice Loopholes”, Phys. Rev. Lett. 110, 260407 (2013).

[3] David Bohm. “A Suggested Interpretation of the Quantum Theory in Terms of ‘Hidden’ Variables. I” Phys. Rev. 85, 166 (1952).

[4] J. S. Bell. “On the Einstein Poldolsky Rosen paradox.” Physics 1, 195 (1964).

[5] Stuart J. Freedman and John F. Clauser. “Experimental Test of Local Hidden-Variable Theories” Phys. Rev. Lett. 28, 938 (1972).

[6] Alain Aspect, Jean Dalibard, and Gérard Roger. “Experimental Test of Bell’s Inequalities Using Time- Varying Analyzers” Phys. Rev. Lett. 49, 1804 (1982).

[7] B. Hensen. “Experimental loophole-free violation of a Bell inequality using entangled electron spins separated by 1.3 km” arXiv:1508.05949.

[8] A. Leggett, (2009), Aspect experiment, Compendium of Quantum Physics, Edited by D Greenberger, K Hentschel and F Weinert (Berlin: Springer) pp 14–18.