研究证明了贝尔定理的推广：量子相关性是真正的三方和非局部

来源：玛丽亚·库德尔斯卡

量子理论预测了所谓的三方纠缠态的存在，其中三个量子粒子以经典物理学中没有对应物的方式相关。理论物理学家希望了解新理论（量子理论的替代品）能够重现这些状态的行为的能力。

约翰·克劳塞（John Clauser）、阿兰·阿森（Alain Aspect）和安东·蔡林格（Anton Zeilinger）的工作最近得到了诺贝尔委员会的认可，他们通过实验证明了贝尔定理，表明量子理论的任何局部隐变量替代方案都无法重现这种行为。换句话说，他们表明量子相关性是非局部的。

中国科学技术大学、光子科学研究所、意大利斯维泽拉大学和周界理论物理研究所的研究人员最近进行了一项实验研究，通过考虑新的潜在理论来推广这些发现。他们的研究结果发表在《物理评论快报》上，表明他们的实验中使用的三方纠缠状态所实现的相关性不能用一种假设理论来解释，该理论涉及二分纠缠的推广，称为“两个粒子的奇异来源”，以及局部隐变量理论。

“我们研究的主要目的是证明三粒子量子源（例如，三个光子源）的行为不能被任何新的假设理论（取代量子理论，尚未发现）所再现，这些理论只涉及由新物理定律描述的两个粒子的奇异对和一个局部隐变量模型，“该论文的作者之一Marc-Olivier Renou告诉 Phys.org。

第二作者盖尔·马塞（Gaël Massé）解释说：“为此，我们使用了'膨胀技术'中包含的想法，该技术由我们的合著者之一埃利·沃尔夫（Elie Wolfe）发明。如果我们想象一对由新的物理定律描述的两个粒子，那么即使我们不知道如何描述它们，我们仍然可以创建这对粒子的副本，并使所有粒子以新的方式相互作用。虽然这种技术看起来很初级，但它经常被证明是解决理论抽象概念的非常强大的工具。

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在他们的论文中，研究人员首先推导出一种新的独立于设备的证人，该证人可以用二分非经典资源证伪因果理论。然后，通过曹欢和张超进行的实验室实验，他们表明，在实践中，某种三方纠缠状态（称为“GHZ状态”）可以获得违反该见证的相关性。

“使用高性能光子GHZ3该团队在他们的论文中解释说，保真度为 0.9741±0.002 的状态，我们在局部性和公平抽样假设下，以超过 26.3 个标准差提供了对该证人的明显实验违规。“我们概括我们的信给|GHZ4⟩状态，获得的相关性无法用任何因果理论来解释，仅限于三方非经典共同原因，并辅以无限共享随机性。

最近的工作是对贝尔定理的推广。它最显着的成就是，它超越了物理学家以前认为的将量子理论的潜在替代理论限制在限制方面的可能性。

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“贝尔排除了量子相关性可以用局部隐变量模型（即共享随机性）解释的可能性，”该研究的共同作者Xavier Coiteux-Roy解释说。“我们更进一步，证明即使你在理论中添加'二分异国情调的来源'，它仍然不起作用。事实上，我们对结果进行了概括，表明如果你添加三方、四方和其他外来来源，它仍然不起作用。你真的需要涉及任何N的N部分外来源，无论它有多高，就像量子理论所做的那样。他总结道，“请注意，实验有缺陷，称为漏洞。实现一个没有这些漏洞的实验，特别是选择后的漏洞，对未来几年的实验家来说是一个巨大的挑战。

根据他们的发现，研究小组得出结论，自然界的相关性是真正的多部分非局部的。到目前为止，他们进行的实验使他们能够明确排除二方和三方异源的理论，但他们现在正在考虑评估量子理论的其他替代方案。

“我们现在正试图了解这个想法能走多远，以及我们可以通过查看具体的实验结果来排除量子理论的潜在替代方案，而不假设它们是由量子理论解释的，”雷诺补充道。“这可能最终使我们能够排除量子理论的所有潜在替代方案。

更多信息：曹欢等，实验证明没有三方-非局部因果理论解释自然的相关性，《物理评论快报》（2022）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.129.150402

期刊信息：物理评论快报