局域性实验：中科大首次实现无漏洞哈代悖论违反

为了理解现实的基本性质，物理学家们探索了量子力学和局域实在性的边界。局域实在性是这一探索中最引人注目的概念之一，它认为一个位置发生的物理过程不会立即受到另一个位置事件的影响。量子力学，特别是通过纠缠和非局域性现象，挑战了这一原则。最近，发表在《物理评论快报》的一项研究，使得通过哈代违背(Hardy’s Violation)进行无漏洞的局域实在性测试成为可能，这是量子物理学的一个重要里程碑。

贝尔定理与局域实在性

物理学家约翰·贝尔在1964年提出的贝尔定理表明，没有任何局域隐藏变量理论可以再现量子力学的所有预测。这一定理为实验测试奠定了基础，这些测试可以区分量子力学和局域实在性。最著名的测试涉及贝尔不等式，如果违反这些不等式，就表明存在量子纠缠和非局域性。

尽管贝尔定理在理论上非常清晰，但实验测试历史上面临着重大挑战。这些挑战被称为漏洞，可能会削弱从这些实验中得出的结论的有效性。主要的两个漏洞是检测漏洞和局域性漏洞。

检测漏洞：当并非所有纠缠粒子都被检测到时，会导致样本偏差，可能错误地表明违反了局域实在性。局域性漏洞：当测量设置不是独立选择的，或者测量设备之间可能存在通信时，会出现这种漏洞，从而允许局域实在性解释。

哈代悖论

哈代悖论由卢西恩·哈代在1992年提出，是贝尔定理的一种特别优雅和简单的形式。它展示了一个场景，其中量子力学预测某些结果具有非零概率，而局域实在性理论预测这些结果的概率为零。这种“全有或全无”的性质使哈代悖论成为测试局域实在性的有力工具。尽管其非常优雅，但哈代悖论的实验测试历史上需要额外的假设，也会导致潜在的漏洞。

最近的实验在解决这些漏洞方面取得了重大进展。一个显著的例子是赵思然及其同事进行的实验，该实验通过哈代违背实现了无漏洞的局域实在性测试。该实验利用了具有高检测效率和量子态保真度的光子纠缠源，以及高速量子随机数生成器，以确保独立的测量设置。

实验设置

实验涉及创建纠缠光子对，并将其分配到两个远距离位置。测量设置使用高速随机数生成器选择，确保设置是独立的，并且没有测量设备之间的潜在通信，解决了局域性漏洞。检测效率提高到82.2%，量子态保真度达到99.10%，显著减少了检测漏洞。

在连续运行六小时期间，实验观察到哈代悖论的强烈违背，概率为P= 4.646✖10^{-4} ，达到五个标准差。这一结果来自43.2亿次试验，提供了反对局域实在性的强大统计证据。零假设检验进一步确认了结果不能用局域实在性理论解释，上限概率为10^{-16348}。

结论

通过哈代违背进行的无漏洞局域实在性测试代表了我们对量子世界理解的重大进展。通过解决主要的实验挑战，并提供反对局域实在性理论的强有力证据，这项工作不仅巩固了量子力学的基础，还为量子信息科学的实际应用开辟了新途径。随着我们继续探索量子领域，这样的实验将对揭示现实的真实本质至关重要。