你从未听说过的幽灵般的量子现象

量子计算机可能从依靠语境变化粒子的属性的“神奇”方式获得它们的力量。

撰稿作者 Katie McCormick

June 22, 2022
EXPLAINERS

 Kristina Armitage for Quanta Magazine

在他们的这个世界是语境的的证明中，西蒙考陈（Simon Koche）和恩斯特斯派克（Ernst Specker）创建了一个在不同方向中测量的粒子的自旋可能值的网络。

也许量子力学的最著名的诡异特征是非局域性：测量一对纠缠的它的伙伴在数英里之外的一个粒子，而测量似乎撕裂中间的空间来瞬时的影响它的伙伴。这种“在一个距离上的幽灵的行为”（正如阿尔伯特·爱因斯坦所称）一直是量子理论测试的主要焦点。

西班牙塞维利亚大学的物理学家阿丹·卡贝洛（Adán Cabello）说，“非局部性是壮观的。我的意思是它像魔术一样“。

但卡贝洛和其他人对量子力学中一个更不为人知但同样神奇的方面语境性感兴趣。语境性说粒子的属性例如它们的位置或偏振，仅在一个测量的上下文中存在。不是认为粒子的属性为有固定的值，而是将它们考虑为更像语言中的单词，它的含义能依靠上下文变化：“时间像一个箭头一样飞。果蝇像香蕉一样（Time flies like an arrow. Fruit flies like bananas）。

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尽管语境性已经在非局部性的阴影下生活了50多年，但量子物理学家现在考虑它比非局域性是的更像是一个量子系统的标志性特征。巴西圣保罗大学的物理学家宝巴拉阿玛拉尔（Bárbara Amaral）说，例如，一个单个粒子是一个“其中你甚至不能考虑非局域性”的量子系统，因为这个粒子只处在一个位置中，“因此，在某种意义上 [语境性]是更普遍的，我认为这对于真正理解量子系统的力量并更深入探究为什么量子理论就是这个样子很重要”。

研究人员还发现了在语境性和量子计算机能以有效解决普通计算机不能解决的问题之间诱人的联系。调查这些联系可以帮助指导研究人员开发新的量子计算方法和算法。

随着理论兴趣的重新燃起又来了一个更新的证明我们的世界真的是语境的实验努力。今年2月，卡贝洛与中国北京清华大学的金基万（Kihwan Kim）合作发表了一篇其中他们声称已经对语境性进行了第一次无漏洞实验测试的论文。

第117个方向

北爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔（John Stewart Bell）被广泛信誉证明量子系统能是非局域的。通过比较两个纠缠粒子的测量的结果，他用他的1965年的同名定理表明了粒子之间的高度共相关性不可能按定义每个粒子的单独属性的局部“隐藏的变量”来解释。包含在纠缠对中的信息一定在粒子之间被非局部的共享。

约翰贝尔（John Bell）、西蒙考陈（Simon Kochen）和恩斯特斯派克（Ernst Specker）（从上到）在1960年代后期证明了一个表明量子系统不能够可能的在所有上下文中对所有属性有固定值的定理。(from top) CERN PhotoLab; Courtesy of Simon Kochen; Wilhelm Pleyer from the ETH Library Collection

贝尔还证明了一个关于语境性的类似定理。他和西蒙·考恩（Simon Kochen）和恩斯特·斯派克（Ernst Specker）分别的表明了对一个量子系统来有定义在所有可能上下文中所有它们的属性的值的隐藏变量是不可能的。

在考恩和斯派克的证明版本中，他们考虑了一个有一个叫自旋的量子属性的单个粒子，该粒子既有一个大小又有一个方向。沿任何方向测量自旋的幅值总是造成两种结果之一：1或0。研究人员然后问：这个粒子在它被测量之前秘密的“知道” 每一个可能的测量将是什么有可能没有呢？换句话说，它们可能同时为所有可能的测量的所有结果分配一个固定值------一个隐藏的变量？

量子理论说沿三个垂直方向的自旋幅度一定遵守“101规则”：两个测量的结果一定是1而另一个一定是0。考恩和斯派克利用这条规则得出了一个矛盾。首先，他们假设了每个粒子对于每个自旋方向都有一个固定的内在值。然后，他们沿着某个独特的方向进行了一个假设的自旋测量，将结果分配为要么0要么1。然后，他们反复的旋转了他们假设的测量的方向并再次测量了，每次要么自由的对结果分配一个值，要么推断这个值按顺序一定是来满足101规则以及他们之前考虑过的方向的。

他们继续到第117个方向，矛盾出现了。虽然他们之前已经为沿这个方向的自旋分配了一个值0，但101规则现在规定自旋必须是1。一个测量的结果不可能同时返回 0 和 1。因此，物理学家得出结论，没有一个粒子能有固定的隐藏变量无论上下文如何这些变量都仍然同一的方式。

虽然证据表明了量子理论需要语境性，但没有来实际上通过对一个单个粒子的117次同时测量证明这一点的办法。此后，物理学家已经设计了更实用、实验上涉及多个纠缠粒子可施行的原始贝尔 - 科恩 - 斯派克定理的版本，其中对一个粒子的特定测量定义其他粒子的一个“上下文”。

由问题的问题

2009年，一个看似深奥的现实的支撑织造的方面语境性得到了一个直接应用：原始贝尔 - 科恩 - 斯派克定理的简化版本之一被证明等同于一个基本的量子计算。

该证明以其创始人大卫·默明（David Mermin）的名字命名为默明之星，它考虑了可以被在三个纠缠的量子比特或量子位上做出的语境的测量的各种组合。早期测量怎样形成后续测量结果的逻辑已经变成一种叫基于测量的量子计算方法的基础。这一发现提出了语境性可能对为什么量子计算机能比经典计算机更快地解决某些问题是关键------一个研究人员已经巨大的挣扎来理解的优势。

不列颠哥伦比亚大学的物理学家、基于测量的量子计算的先驱罗伯特·劳森多夫（Robert Raussendorf）表明了语境性对量子计算机在某些任务上击败经典计算机是必要的，但他并不认为这是故事的全部。他说，是否语境性为量子计算机提供动力“可能的刚好不是来问的问题 ，但我们需要逐个问题到达那里。因此，我们问一个我们知道怎样问的问题，我们得到一个答案。我们问下一个问题”。

一个无漏洞实验

一些研究人员已经提出了围绕贝尔、科恩和斯派佩克的这个世界是语境的的结论的漏洞。他们争论与上下文无关的隐藏变量还没有被最终排除。

今年二月，卡贝洛和金宣布，他们通过进行一个“无漏洞”的贝尔 - 科恩 - 斯派克定理实验已经关闭了每一个合理的漏洞。.

该实验接着需要测量两个纠缠的被在不同方向中自旋的阳离子，其中对一个阳离子的测量选择定义了另一个阳离子的语境。物理学家表明了尽管对一个阳离子做出测量不会物理上影响另一个阳离子，但它改变上下文从而改变第二个阳离子测量的结果。

怀疑论者会问：你怎么能确定被第一次测量创造的上下文是改变第二个测量结果的的而不是来自其他可能实验到实验的变化条件？卡贝洛和金通过执行数千组测量并表明如果上下文不改变结果不会改变来关闭这个“锐度漏洞”。在排除了这个漏洞和其他漏洞之后，他们得出结论，对他们的结果的唯一合理解释是语境。

卡贝洛和其他人认为，这些实验可以在将来被用于测试量子计算设备的语境性水平，从而量子装置的能力。

卡贝洛说，“如果你要真正了解世界怎样正在运作，你真的需要深入探究量子语境性的细节”。

https://www.quantamagazine.org/the-spooky-quantum-phenomenon-youve-never-heard-of-20220622/