两个超导电路之间30米长的量子连接的部分截面

由苏黎世联邦理工学院固体物理学教授安德烈亚斯·沃尔拉夫领导的一组研究人员进行了无漏洞的贝尔测试，以反驳阿尔伯特·爱因斯坦针对量子力学提出的“局部因果关系”概念。通过证明相距很远的量子力学物体可以比传统系统中更强烈地相互关联，研究人员进一步证实了量子力学。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来执行它，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。

贝尔测试是基于一个实验装置，该实验装置最初是由英国物理学家约翰·贝尔在20世纪60年代设计的一个思想实验。贝尔想解决一个物理学大师在20世纪30年代就已经争论过的问题：量子力学的预测是否正确，这与日常直觉完全相反，还是像阿尔伯特·爱因斯坦所认为的那样，因果关系的传统概念也适用于原子微观世界？

为了回答这个问题，贝尔提出同时对两个纠缠粒子进行随机测量，并根据贝尔不等式进行检验。如果爱因斯坦的局部因果关系概念是正确的，那么这些实验将始终满足贝尔不等式。相比之下，量子力学预测它们会违反它。

20世纪70年代初，去年获得诺贝尔物理学奖的约翰·弗朗西斯·克劳瑟和斯图尔特·弗里德曼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某些假设，才能在一开始就进行实验。因此，从理论上讲，爱因斯坦对量子力学持怀疑态度可能仍然是正确的。

然而，随着时间的推移，这些漏洞可能会越来越多地被堵住。最终，在2015年，各个团体成功地进行了第一次真正没有漏洞的贝尔测试，从而最终解决了旧的争议。

Wallraff的小组现在可以通过一项新的实验来证实这些结果。苏黎世联邦理工学院研究人员发表在著名科学期刊《自然》上的研究表明，尽管七年前已经得到初步证实，但这一主题的研究尚未结束。这有几个原因。首先，苏黎世联邦理工学院研究人员的实验证实，超导电路也根据量子力学定律运行，尽管它们比光子或离子等微观量子物体大得多。由超导材料制成并在微波频率下工作的几百微米大小的电子电路被称为宏观量子物体。

另一方面，贝尔测试也有实际意义。“例如，修改后的贝尔测试可用于密码学，以证明信息实际上是以加密形式传输的，”Wallraff小组的博士生Simon Storz解释道。“通过我们的方法，我们可以比其他实验装置更有效地证明违反了贝尔不等式。这使得它在实际应用中特别有趣。”

然而，研究人员需要一个复杂的测试设施。因为为了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。由于信息传输最快的速度是光速，因此测量所需的时间必须比光粒子从一个电路传输到另一个电路所需的短。

因此，在设置实验时，重要的是要取得平衡：两个超导电路之间的距离越大，可用于测量的时间就越多，实验设置也变得越复杂。这是因为整个实验必须在接近绝对零的真空中进行。

苏黎世联邦理工学院研究人员已确定成功进行无漏洞贝尔测试的最短距离约为33米，因为光粒子在真空中行进该距离大约需要110 纳秒。这比研究人员进行实验所用的时间多了几纳秒。

Wallraff的团队在苏黎世联邦理工学院校园的地下通道中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。这两个冷却装置通过一根30米长的管子连接，管子内部被冷却到刚好高于绝对零温度(–273.15°C)。

在每次测量开始之前，微波光子从两个超导电路之一传输到另一个，使两个电路纠缠在一起。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，比较两侧的测量结果。

在评估了100多万次测量后，研究人员以非常高的统计确定性表明，在这个实验设置中违反了贝尔不等式。换言之，他们已经证实，量子力学也允许宏观电路中的非局部关联，因此超导电路可以在很大的距离上纠缠。这为分布式量子计算和量子密码学领域开辟了有趣的可能应用。

Wallraff说，建造设施和进行测试是一项挑战。“我们能够利用ERC高级拨款在六年内为该项目提供资金”。仅仅将整个实验装置冷却到接近绝对零度的温度就需要付出相当大的努力。Wallraff说：“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”。他认为，原则上有可能以同样的方式建造能够跨越更远距离的设施。例如，这项技术可以用于远距离连接超导量子计算机。

这项研究于5月10日发表在《自然》杂志上。

doi:10.1038/s41586-023-05885-0