恋爱中的粒子：量子力学在新研究中的探索
本文刊登于喷气推进实验室 （Jet Propulsion Laboratory，JPL）官网，JPL是美国一个以无人飞行器探索太阳系的中心，其飞船已经到过全部已知的大行星，是美国国家航空航天局NASA的一个下属机构，负责开发和管理无人空间探测任务。
作者： 伊丽莎白·兰道 美国国家航空航天局 NASA
译者：Uran235 转载请注明
这幅漫画有助于解释“纠缠粒子”的概念。爱丽丝和鲍勃代表光子探测器，这是美国宇航局喷气推进实验室和国家标准技术研究所开发的。图片来源：NASA/JPL Caltech
这是一个可以想象的最小尺度的爱情故事：光的粒子。有可能存在如此紧密相连的粒子，即使它们在一定距离处分开且相隔很远，对一个粒子的改变也会影响另一个粒子。
这种被称为“纠缠”的概念是物理学分支的一部分，称为量子力学，描述了世界在原子和粒子层面上的工作方式。量子力学说，在这些非常微小的尺度上，粒子的某些属性完全基于概率。换句话说，在它发生之前没有什么是确定的。（译者注：这和爱情不需要理由十分类似）
测试贝尔定理
阿尔伯特·爱因斯坦并不完全相信量子力学定律描述了现实。他和其他人假定必须有一些隐藏的变量在工作，这将使量子系统可以预测。然而，在1964年，约翰·贝尔发表了这样的观点，即任何具有这种隐藏变量的物理现实模型也必须允许一个粒子对另一个粒子的瞬时影响。虽然爱因斯坦证明了信息的传播速度不能超过光速，但贝尔认为，当粒子相距较远时，它们仍然可以相互影响。
科学家认为贝尔定理是现代物理学的重要基础。虽然已经进行了许多实验来试图证明他的定理，但是没有人能够对贝尔最近需要的实验进行全面，适当的测试。 2015年，就该主题发表了三项独立的研究，这些研究都与量子力学和纠缠的预测一致。
“令人兴奋的是，从某种意义上说，我们正在做实验哲学，”科罗拉多州博尔德市国家标准与技术研究所（NIST）的物理学家Krister Shalm说。 Shalm是测试Bell定理的2015年研究之一的主要作者。 “人类总是对世界如何运作有一定的期望，当量子力学出现时，它似乎表现得不同。”
用于研究粒子之间“爱”的技术也被用于研究以改善空间与地球之间的通信。图片来源：NASA / JPL-Caltech
“爱丽丝和鲍勃”如何测试量子力学
Shalm，Marsili及其同事的论文发表在“物理评论快报”（PhysicalReview Letters）杂志上，题为“强烈的地方现实主义漏洞测试”。
“我们的论文和去年发表的另外两篇论文表明贝尔是对的：任何包含隐藏变量的世界模型也必须允许纠缠粒子在远处相互影响，”美国宇航局帕萨迪纳喷气推进实验室的弗朗切斯科马西里说。加利福尼亚，与Shalm合作。
类比有助于理解在博尔德的NIST实验室进行的实验：
想象一下，A和B是纠缠光子。 A被发送给Alice，B被发送给位于相距607英尺（185米）的Bob。
爱丽丝和鲍勃以各种方式戳他们的光子，以了解他们的属性。在没有相互交谈的情况下，他们每个人随机决定如何测量他们的光子，使用随机数发生器来指导他们的决定。当Alice和Bob比较笔记时，他们惊讶地发现他们的独立实验的结果是相关的。换句话说，即使在一定距离处，测量纠缠对的一个光子也会影响另一个光子的特性。
“就好像爱丽丝和鲍勃试图将两个光子分开，但他们的爱仍然存在，”沙姆说。换句话说，纠缠光子的行为就像它们是单个系统的两个部分一样，即使在空间中分离也是如此。（译者注：这是否从科学角度说明真爱没有距离？）
Alice和Bob——代表实际的光子探测器——然后用其他许多纠缠光子对重复这个过程，这种现象仍然存在。
实际上，光子探测器不是人，而是超导纳米线单光子探测器（SNSPD）。 SNSPD是金属条，它们被冷却直到它们变成“超导”，这意味着它们失去了电阻。撞击该条带的光子使其瞬间变成普通金属，因此条带的电阻从零跳到有限值。这种阻力的变化使研究人员能够记录这一事件。
为了使这个实验在实验室中进行，最大的挑战是避免在光子通过光纤发送到Alice和Bob探测器时丢失光子。 JPL和NIST开发了具有世界记录性能的SNSPD，表现出超过90％的效率和低“抖动”，或光子到达时间的不确定性。没有SNSPD，这个实验是不可能实现的。
为什么这很有用
该实验的设计可能用于密码学制作信息和通信安全——因为它涉及生成随机数。
Shalm说：“同样的实验告诉我们一些关于世界如何构建的实验，也可以用于那些要求你保证信息安全的应用程序。”
密码学不是本研究的唯一应用。类似于用于实验的探测器，由JPL和NIST构建，最终也可用于深空光通信。由于信号到达时间的高效率和低不确定性，这些检测器非常适合用光谱中的光脉冲传输信息。
“现在我们有深空网络与太阳系周围的航天器进行通信，后者对无线电信号中的信息进行编码。通过光通信，我们可以将该网络的数据速率提高10到100倍，”Marsili说。
利用类似于Marsili实验中探测器的技术进行的深空光学通信，在美国宇航局的月球大气尘埃与环境探测器（Ladee）任务中得到了证实，该任务于2013年10月至2014年4月围绕月球运行。一项称为“月球激光通信演示”的技术任务，包括激光雷达和地面组件、用激光脉冲编码的下行链路数据以及利用基于SNSPD的地面接收器。
美国宇航局太空技术任务理事会正致力于激光通信中继演示（LCRD）任务。该任务提议彻底改变我们发送和接收数据，视频和其他信息的方式，使用激光以比现在最快的射频系统快10到100倍的速率编码和传输数据，同时使用更少的质量和功率。
“信息的传播速度永远不会超过光速 —— 爱因斯坦是正确的。但通过光通信研究，我们可以增加从太空发回的信息量，”马西里说。 “我们实验中的探测器具有这种应用，这一事实在这两项工作之间产生了巨大的协同作用。”
因此，开始研究粒子之间的“爱”，有助于宇宙空间与地球之间创造新的通讯方式。 “爱让世界运转”，从某种意义上说，它可以帮助我们了解其他世界。
FEBRUARY 12, 2016
作者联系方式
ElizabethLandau
NASA'sJet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif.
818-354-6425
Elizabeth.Landau@jpl.nasa.gov
