你从没听说过的可怕的量子现象

　　也许量子力学最著名的奇怪特征是非局域性：测量纠缠对象中的一个粒子，其伴侣在数英里之外，测量似乎会撕裂中间的空间，瞬间影响其伴侣。这种远处的幽灵行为（阿尔伯特爱因斯坦称之为幽灵行为）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德卡贝罗说：非定域性是壮观的。我的意思是，它就像魔法一样。。
　　但卡贝罗和其他人对研究量子力学的一个鲜为人知但同样神奇的方面感兴趣：情境性。上下文性表示粒子的属性，例如它们的位置或极化，只存在于测量的上下文中。与其认为粒子的属性有固定的值，不如把它们看作语言中的单词，其含义可以根据上下文的不同而变化：时间像箭一样飞逝，果蝇像香蕉一样飞逝。
　　虽然上下文性在非定域性的阴影下已经存在了50多年，但量子物理学家现在认为它比非定域性更像是量子系统的一个标志性特征。例如，巴西圣保罗大学的物理学家巴巴拉阿马拉（BrbaraAmaral）说，单个粒子是一个量子系统，在其中你甚至不能考虑非局域性，因为粒子只在一个位置。因此，从某种意义上来说，〔背景性〕更为普遍，我认为这对于真正理解量子系统的力量以及深入探究量子理论为何如此重要。
　　研究人员还发现，量子计算机能够有效解决普通计算机无法解决的环境和问题之间存在着诱人的联系；研究这些联系有助于指导研究人员开发新的量子计算方法和算法。
　　伴随着新的理论兴趣，又有了新的实验努力来证明我们的世界确实是有关联的。2月，卡贝罗与中国北京清华大学的KihwanKim合作发表了一篇论文，声称他们进行了第一次无漏洞的情境性实验测试。第117个方向
　　北爱尔兰物理学家约翰斯图尔特贝尔（JohnStewartBell）被广泛认为证明了量子系统可以是非局域的。通过比较两个纠缠粒子的测量结果，他用1965年的同名定理表明，粒子之间的高度相关性不可能用定义每个粒子各自特性的局部隐藏变量来解释。纠缠对中包含的信息必须在粒子之间非局部共享。
　　在20世纪60年代末证明了一个定理，表明量子系统不可能在所有情况下都具有所有属性的固定值
　　贝尔还证明了一个关于语境的类似定理。他和西蒙科钦（SimonKochen）和恩斯特斯派克（ErnstSpecker）分别证明，量子系统不可能有隐藏变量，这些变量定义了所有可能的上下文中所有属性的值。
　　在Kochen和Specker的证明中，他们考虑了一个具有称为自旋的量子特性的单个粒子，它既有大小也有方向。沿任何方向测量自旋的大小总是会产生两种结果之一：1或0。研究人员接着问：在测量之前，粒子是否可能秘密地知道每一次可能的测量结果？换句话说，他们是否可以同时为所有可能测量的所有结果分配一个固定值（一个隐藏变量）？
　　量子理论说，沿三个垂直方向的自旋大小必须遵守101规则：其中两个测量的结果必须是1，另一个必须是0。Kochen和Specker利用这一规则得出了一个矛盾。首先，他们假设每个粒子的每个自旋方向都有一个固定的固有值。然后，他们沿着某个独特的方向进行假设的自旋测量，将结果指定为0或1。然后，他们反复旋转假设测量的方向，然后再次测量，每次要么自由地给结果赋值，要么推断出数值必须是什么，以满足101规则以及他们之前考虑的方向。
　　他们一直持续到第117个方向，矛盾突然出现。虽然他们之前为沿此方向的自旋指定了一个值0，但101规则现在规定自旋必须为1。测量结果不可能同时返回0和1。因此物理学家得出结论，粒子不可能有固定的隐藏变量，无论上下文如何，这些变量都保持不变。
　　虽然证据表明量子理论需要情境性，但无法通过117次对单个粒子的同时测量来证明这一点。自那以后，物理学家们设计了更实用、更可在实验上实现的贝尔科兴斯派克定理，该定理涉及多个纠缠粒子，其中一个粒子的特定测量定义了其他粒子的背景。一个问题接一个问题
　　2009年，背景性这一现实底层结构中看似深奥的方面得到了直接应用：原始BellKochenSpecker定理的简化版本之一被证明等效于基本的量子计算。
　　该证明以其创始人大卫默敏的名字命名为默敏之星，它考虑了可以在三个纠缠量子比特或量子比特上进行的各种上下文测量组合。早期测量如何影响后期测量结果的逻辑已成为基于测量的量子计算方法的基础。这一发现表明，情境性可能是量子计算机比经典计算机更快地解决某些问题的关键所在，这一优势一直是研究人员难以理解的。
　　不列颠哥伦比亚大学的物理学家罗伯特劳森多夫（RobertRaussendorf）是基于测量的量子计算的先驱，他指出，量子计算机在某些任务上击败经典计算机是必要的，但他认为这并不是全部。他说，情境性是否为量子计算机提供动力可能不是一个完全正确的问题。但我们需要一个问题一个问题地问。所以我们问一个我们知道如何问的问题；我们得到了答案。我们问下一个问题。无漏洞测试
　　一些研究人员指出，贝尔、科兴和斯派克关于世界是有关联的结论存在漏洞。他们认为，与上下文无关的隐藏变量尚未被最终排除。
　　2月，卡贝罗和金宣布，他们通过进行无漏洞的贝尔科兴斯帕克实验，堵住了所有可能的漏洞。
　　该实验需要测量两个缠结陷阱的离子在不同方向上的自旋，其中一个离子的测量选择决定了另一个离子的上下文。物理学家们表明，虽然对一个离子进行测量不会对另一个离子产生物理影响，但它会改变环境，从而改变第二个离子测量的结果。
　　怀疑论者会问：你如何确定第一次测量所创造的环境是什么改变了第二次测量结果，而不是其他可能因实验而异的条件？Cabello和Kim通过进行数千组测量来弥补这一锐度漏洞，并表明如果环境不改变，结果不会改变。在排除了这一漏洞和其他漏洞后，他们得出结论，对其结果唯一合理的解释是环境性。
　　卡贝洛和其他人认为，这些实验将来可以用来测试量子计算设备的上下文水平，从而测试其能力。
　　卡贝罗说：如果你想真正了解世界是如何运转的，你真的需要深入了解量子环境的细节。