你从未听说过的怪异量子现象

量子力学最著名的怪异特征可能是非定域性：测量一对纠缠粒子中的一个粒子，其伴侣在数英里之外，测量结果似乎穿过中间空间，瞬间影响它的伴侣。这种“幽灵般的超距作用”（正如阿尔伯特·爱因斯坦所说）一直是量子理论检验的主要焦点。

“非地方性是壮观的。我的意思是，这就像魔法一样，”西班牙塞维利亚大学的物理学家Adán Cabello说。

但是卡贝罗和其他人有兴趣研究量子力学中一个鲜为人知但同样神奇的方面：语境。上下文性表示粒子的属性，例如它们的位置或极化，仅存在于测量的上下文中。与其将粒子的属性视为具有固定值，不如将它们视为语言中的单词，其含义可以根据上下文而改变：“时间像箭头一样飞逝。果蝇就像香蕉一样。”

John Bell、Simon Kochen 和 Ernst Specker（自上而下）在 1960 年代后期证明了一个定理，表明量子系统不可能在所有情况下对所有属性都具有固定值。

贝尔也证明了一个类似的关于语境的定理。他以及分别与 Simon Kochen 和 Ernst Specker表明，量子系统不可能有隐藏变量来定义所有可能的上下文中所有属性的值。

在 Kochen 和 Specker 的证明版本中，他们考虑了具有称为自旋的量子特性的单个粒子，它具有大小和方向。沿着任何方向测量自旋的大小总是会导致以下两种结果之一：1 或 0。研究人员随后问道：粒子是否有可能在测量之前秘密地“知道”每一种可能的测量结果会是什么？换句话说，他们能否一次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幅度必须遵循“101 规则”：其中两次测量的结果必须为 1，另一个必须为 0。Kochen 和 Specker 使用此规则得出了一个矛盾。首先，他们假设每个粒子对于每个自旋方向都有一个固定的内在价值。然后，他们沿着某个独特的方向进行了假设的自旋测量，将结果分配为 ​​0 或 1。然后，他们反复旋转假设测量的方向并再次测量，每次要么自由地为结果分配一个值，要么推断出该值必须是什么才能满足 101 规则以及他们之前考虑的方向。

他们一直持续到第 117 个方向出现矛盾。虽然他们之前已经为沿这个方向的自旋分配了 0 值，但 101 规则现在规定自旋必须为 1。测量的结果不可能同时返回 0 和 1。因此物理学家得出结论，存在粒子不可能有固定的隐藏变量，无论上下文如何都保持不变。

虽然证明表明量子理论需要语境，但无法通过对单个粒子的 117 次同时测量来实际证明这一点。此后，物理学家设计了更实用、可实验实现的原始 Bell-Kochen-Specker 定理版本，其中涉及多个纠缠粒子，其中一个粒子的特定测量定义了其他粒子的“上下文”。

一问一答

2009 年，情境性，一个看似深奥的现实底层结构的方面，得到了直接应用：原始 Bell-Kochen-Specker 定理的简化版本之一被证明等同于基本的量子计算。

该证明以其创始人大卫·默明（David Mermin）的名字命名为默明之星，考虑了可以在三个纠缠量子位或量子位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称为基于测量的量子计算方法的基础。这一发现表明，上下文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——研究人员一直在努力理解这一优势。

不列颠哥伦比亚大学的物理学家、基于测量的量子计算的先驱罗伯特·劳森多夫（ Robert Raussendorf ）表明，量子计算机在某些任务上击败经典计算机需要上下文相关性，但他认为这不是全部。他说，情境性是否为量子计算机提供动力“可能不完全是正确的问题”。 “但我们需要逐个问题地解决问题。因此，我们提出了一个我们知道如何提出的问题；我们得到答案。我们问下一个问题。”

无漏洞测试

一些研究人员提出了 Bell、Kochen 和 Specker 关于世界是语境的结论的漏洞。他们认为，与上下文无关的隐藏变量并没有被最终排除。

2 月，Cabello 和 Kim 宣布，他们通过执行“无漏洞”Bell-Kochen-Specker 实验，堵住了所有可能的漏洞。

该实验需要测量两个纠缠的捕获离子在各个方向上的自旋，其中对一个离子的测量选择定义了另一个离子的上下文。物理学家表明，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的测量结果。

怀疑论者会问：你如何确定第一次测量创建的上下文是改变第二次测量结果的原因，而不是其他可能因实验而异的条件？ Cabello 和 Kim 通过执行数千组测量并表明如果上下文没有变化，结果不会改变，从而填补了这个“锐度漏洞”。在排除了这个漏洞和其他漏洞后，他们得出结论，对他们的结果唯一合理的解释是语境。

Cabello 和其他人认为，这些实验可以在未来用于测试量子计算设备的上下文水平，从而测试其能力。

“如果你想真正了解世界是如何运作的，”卡贝罗说，“你真的需要深入了解量子上下文的细节。”