纠缠量子电路进一步反驳了爱因斯坦的局部因果关系概念

诸平

Fig. 1: Schematic of the Bell test experiment.

Partial section of the 30-meter-long quantum connection between two superconducting circuits. The vacuum tube (center) contains a microwave waveguide that is cooled to around –273°C and connects the two quantum circuits. Credit: ETH Zurich / Daniel Winkler

据瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich, Zurich, Switzerland）2023年5月10日提供的消息，纠缠量子电路进一步反驳了爱因斯坦的局部因果关系概念（Entangled quantum circuits further disprove Einstein's concept of local causality）。

由苏黎世联邦理工学院固态物理学教授安德里亚斯·瓦尔拉夫（Andreas Wallraff）领导的一组研究人员，进行了一项无漏洞的贝尔测试（loophole-free Bell test），以反驳阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）在回应量子力学时提出的“局部因果关系”（"local causality"）概念。

通过展示量子力学中相距很远的物体可以比传统系统中更紧密地相互关联，研究人员为量子力学（quantum mechanics）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（superconducting circuits）来进行实验，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。相关研究结果于2023年5月10日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Simon Storz, Josua Schär, Anatoly Kulikov, Paul Magnard, Philipp Kurpiers, Janis Lütolf, Theo Walter, Adrian Copetudo, Kevin Reuer, Abdulkadir Akin, Jean-Claude Besse, Mihai Gabureac, Graham J. Norris, Andrés Rosario, Ferran Martin, José Martinez, Waldimar Amaya, Morgan W. Mitchell, Carlos Abellan, Jean-Daniel Bancal, Nicolas Sangouard, Baptiste Royer, Alexandre Blais, Andreas Wallraff. Loophole-free Bell inequality violation with superconducting circuits. Nature, 2023, 617: 265–270. DOI: 10.1038/s41586-023-05885-0. Published: 10 May 2023. https://www.nature.com/articles/s41586-023-05885-0

参与此项研究的除了来自瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员之外，还有来自西班牙曲赛德科技有限公司（Quside Technologies S.L., Castelldefels, Spain）、西班牙巴塞罗那科技学院光子科学研究所（ICFO - Institut de Ciencies Fotoniques,The Barcelona Institute of Science and Technology, Castelldefels / Barcelona), Spain）、西班牙加泰罗尼亚高级研究和研究机构（ICREA - Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats, Barcelona, Spain）；法国巴黎萨克雷大学（University of Paris-Saclay, CEA, CNRS, Gif-sur-Yvette, France）、美国耶鲁大学（Yale University, New Haven, CT, USA）、加拿大舍布鲁克大学（Université de Sherbrooke, Sherbrooke, Québec, Canada）以及加拿大高级研究所（Canadian Institute for Advanced Research, Toronto, Ontario, Canada）的研究人员。

一场古老的争论（An old dispute）

贝尔测试（Bell test）基于一种实验装置，该装置最初是由英国物理学家约翰·贝尔（John Bell）在20世纪60年代设计的一个思想实验（thought experiment）。约翰·贝尔想要解决一个物理学大师们在20世纪30年代就已经争论过的问题:量子力学的预测与日常直觉完全相悖，它是正确的吗?还是像阿尔伯特·爱因斯坦所相信的那样，传统的因果关系概念也适用于原子微观世界。

为了回答这个问题，约翰·贝尔提出同时对两个纠缠的粒子进行随机测量，并根据贝尔不等式（Bell's inequality）进行检验。如果爱因斯坦的局部因果关系概念是正确的，这些实验将总是满足贝尔不等式。相比之下，量子力学预测它们会违反它。

最后的疑虑消除了（The last doubts dispelled）

在20世纪70年代早期，2022年获得诺贝尔物理学奖（The Nobel Prize in Physics 2022）的约翰·弗朗西斯·克劳瑟（John Francis Clauser）和斯图尔特·弗里德曼（Stuart Freedman）进行了第一次实际的贝尔测试。在他们的实验中，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一定的假设，才能首先进行实验。所以，从理论上讲，爱因斯坦对量子力学的怀疑可能仍然是正确的。

然而，随着时间的推移，这些漏洞会越来越多地被堵住。最终，在2015年，各个小组成功地进行了第一次真正无漏洞的贝尔测试，从而最终解决了古老的争论。

应用前景（Promising applications）

安德里亚斯·瓦尔拉夫的研究小组现在可以通过一项新的实验来证实这些结果。ETH研究人员发表在《自然》杂志上的研究表明，尽管七年前得到了初步确认，但关于这一主题的研究尚未结束。

这有几个原因。首先，ETH研究人员的实验证实，超导电路也按照量子力学定律运行，即使它们比光子或离子等微观量子物体大得多。由超导材料制成的、在微波频率（microwave frequencies）下工作的几百微米大小的电子电路被称为宏观量子物体（macroscopic quantum objects）。

另一方面，贝尔测试也有实际意义。安德里亚斯·瓦尔拉夫小组的博士生西蒙·斯托兹（Simon Storz）解释说:“例如，改进的贝尔测试可以用于密码学，以证明信息实际上是以加密形式传输的。通过我们的方法，我们可以比在其他实验装置中更有效地证明贝尔不等式被违反。

这使得它在实际应用中特别有趣。”

寻求折中方案（The search for a compromise）

然而，研究人员需要一个复杂的测试设备。因为要使贝尔测试真正没有漏洞，他们必须确保在量子测量完成之前，两个纠缠电路之间不能交换任何信息。由于信息传输的最快速度是光速，因此测量所花费的时间必须少于光粒子从一个电路传输到另一个电路所花费的时间。

因此，在设置实验时，重要的是要保持平衡:两个超导电路之间的距离越大，用于测量的时间就越多，实验设置就变得越复杂。这是因为整个实验必须在接近绝对零度的真空中进行。

ETH的研究人员已经确定，进行成功的无漏洞贝尔测试的最短距离约为33 m，因为光粒子在真空中移动这个距离需要大约110 ns。这比研究人员进行实验的时间多了几纳秒。

30米的真空（Thirty-meter vacuum）

安德里亚斯·瓦尔拉夫的团队在ETH校园的地下通道里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。这两个冷却装置由一个30 m长的管道连接，该管道内部冷却到刚好高于绝对零度(-273.15℃)。

在每次测量开始之前，一个微波光子从两个超导电路中的一个传输到另一个，这样两个电路就会纠缠在一起。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，对两边的测量结果进行比较。

大规模的纠缠（Large-scale entanglement）

在评估了超过一百万次的测量后，研究人员以非常高的统计确定性表明，贝尔不等式在这个实验装置中被违反了。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。这在分布式量子计算（distributed quantum computing）和量子密码学（quantum cryptography）领域开辟了有趣的可能应用。

安德里亚斯·瓦尔拉夫说，建造设施和进行测试是一项挑战。仅仅将整个实验装置冷却到接近绝对零度的温度就需要相当大的努力。

“我们的机器里有1.3吨铜和14000个螺丝，还有大量的物理知识和工程技术，”安德里亚斯·瓦尔拉夫说。他认为，原则上有可能以同样的方式建造能够克服更大距离的设施。例如，这项技术可以用于远距离连接超导量子计算机。

苏黎世联邦理工学院的这项工作得到了欧洲研究委员会（European Research Council）通过超导量子网络(‘Superconducting Quantum Networks’简称SuperQuNet)项目、欧盟地平线2020场效应晶体管开放项目{ European Union’s Horizon 2020 FET-Open project SuperQuLAN (grant no. 899354)}、瑞士国家科学基金会（Swiss National Science Foundation）的研究仪器——国家量子科学与技术研究能力中心(National Centre of Competence in Research ‘Quantum Science and Technology’简称NCCR QSIT)、苏黎世联邦理工学院；加拿大自然科学与工程研究委员会（Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada）、加拿大第一研究卓越基金（Canada First Research Excellence Fund）、加拿大瓦尼尔研究生奖学金（Vanier Canada Graduate Scholarships）；西班牙原子能和替代能源委员会理论物理研究所（Institut de Physique Théorique, Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives）、欧洲高性能计算联合承办项目（European High-Performance Computing Joint Undertaking under grant agreement no. 101018180 and project name HPCQS）；法国国家研究机构在法国2030框架下管理的法国国家量子计划（French national quantum initiative managed by Agence Nationale de la Recherche in the framework of France 2030 with the references ANR-22-PETQ-0007, project name EPIQ and ANR-22-PETQ-0009, project name DIQKD）、新一代欧盟计划{NextGenerationEU (grant no. PRTR-C17.I1)}、SAPONARIA项目{ SAPONARIA (grant no. PID2021-123813NB-I00)}、MARICHAS项目{MARICHAS (grant no. PID2021-126059OA-I00)}、‘塞韦罗·奥乔亚’卓越中心（‘Severo Ochoa’ Center of Excellence CEX2019-000910-S）、加泰罗尼亚政府通过CERCA计划（Generalitat de Catalunya through the CERCA program, AGAUR grant no. 2021-SGR-01453）、仙丽施私人基金会（Fundació Privada Cellex）以及米尔-普伊格基金会（Fundació Mir-Puig）的支持或资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

How philosophy turned into physics and reality turned into information

Abstract

Superposition, entanglement and non-locality constitute fundamental features of quantum physics. The fact that quantum physics does not follow the principle of local causality^1,2,3 can be experimentally demonstrated in Bell tests⁴ performed on pairs of spatially separated, entangled quantum systems. Although Bell tests, which are widely regarded as a litmus test of quantum physics, have been explored using a broad range of quantum systems over the past 50 years, only relatively recently have experiments free of so-called loopholes⁵ succeeded. Such experiments have been performed with spins in nitrogen–vacancy centres⁶, optical photons^7,8,9 and neutral atoms¹⁰. Here we demonstrate a loophole-free violation of Bell’s inequality with superconducting circuits, which are a prime contender for realizing quantum computing technology¹¹. To evaluate a Clauser–Horne–Shimony–Holt-type Bell inequality⁴, we deterministically entangle a pair of qubits¹² and perform fast and high-fidelity measurements¹³ along randomly chosen bases on the qubits connected through a cryogenic link¹⁴ spanning a distance of 30 metres. Evaluating more than 1 million experimental trials, we find an average S value of 2.0747±0.0033, violating Bell’s inequality with a P value smaller than 10⁻¹⁰⁸. Our work demonstrates that non-locality is a viable new resource in quantum information technology realized with superconducting circuits with potential applications in quantum communication, quantum computing and fundamental physics¹⁵.