研究证明了量子理论的两个基本原理的兼容性

表示实验中所有测量值之间的相容关系。每个测量值由一个顶点表示，由边连接的顶点表示兼容的测量值。Alice（白色顶点）的两个测量值都与Bob（黑色顶点）的所有测量值兼容;鲍勃测量的兼容性由五边形表示。二乘二兼容的测量集是联合兼容的（例如，{A0，B0，B1}。学分：物理评论快报（2023 年）。DOI：

10.1103/PhysRevLett.130.040201

量子理论是在二十世纪的前三十年制定的，它描述了分子，原子和亚原子尺度上的各种现象。在其众多技术应用中，有三种在日常生活中无处不在：激光条形码扫描仪、发光二极管 （LED） 和全球定位系统 （GPS）。

然而，量子物理学仍然没有被完全理解，一些相关的现象似乎与常识或日常经验背道而驰，不仅让普通外行感到惊讶，也让物理学家和科学哲学家感到惊讶。量子理论的一些违反直觉的方面是由于它的概率性质。它提供了一组规则来计算物理系统可能的测量结果的概率，并且通常无法预测单个测量的实际结果。

量子物理学提出的一个具有挑战性的想法是非局域性，当两个或多个系统以这样一种方式产生或相互作用时，表现出现实的一个方面，即任何系统的量子态都无法独立于其他系统的量子态进行描述。从技术上讲，科学家称这种系统为纠缠，因为它们即使在远处也密切相关，并且它们的量子态不是由其组成部分的量子态定义的。

另一个具有挑战性的想法似乎指向相反的方向，是上下文性，根据上下文性，测量量子对象的结果取决于上下文，这意味着同时执行其他兼容的测量。

非局部性和语境性诞生于量子理论，但几十年来一直遵循独立的路径。2014年，科学家们进行了一项涉及特定案例的研究，他们表明在量子系统中只能观察到其中之一。这一发现被称为一夫一妻制。作者推测，非局部性和上下文性是以一种或另一种方式观察到的相同一般行为的不同方面。

然而，现在巴西和中国研究人员的一项研究在理论和实验上都表明事实并非如此。一篇关于这项研究的文章发表在《物理评论快报》上，并作为编辑的建议突出显示。

该研究由Rafael Rabelo领导，他是该文章的最后一作者，也是巴西坎皮纳斯州立大学Gleb Wataghin物理研究所（IFGW-UNICAMP）的教授。

第一作者是中国北京计算科学研究中心的薛鹏和肖磊。其他合著者都隶属于巴西机构，他们是加布里埃尔·鲁弗洛和安德烈·马扎里，他们也是IFGW-UNICAMP的研究员;同一所大学数学、统计和科学计算研究所（IMECC-UNICAMP）的马塞洛·特拉·库尼亚;和阿拉戈斯联邦研究所的塔西乌斯·特米斯托克勒斯。

“我们证明了这两种现象确实可以在量子系统中同时观察到。该理论方法是在巴西开发的，并由我们的中国合作者在量子光学实验中得到验证，“Rabelo告诉Agência FAPESP。

这项新研究明确表明，量子物理学与经典物理学不同的两种基本方式可以在同一系统中同时观察到，这与通常的看法相反。“因此，非地方性和背景性显然不是同一现象的互补表现，”拉贝洛说。

实际上，非局部性是量子加密的重要资源，而上下文性是特定量子计算模型的基础，以及其他应用。“在同一系统中同时拥有两者的可能性可以为开发新的量子信息处理和量子通信协议铺平道路，”他说。

  贝尔定理

非局域性的概念是对阿尔伯特·爱因斯坦（1879-1955）对量子物理学概率性质提出的反对意见的一种回答。在1935年发表的一篇开创性文章中，爱因斯坦，鲍里斯·波多尔斯基（1896-1966）和内森·罗森（1909-1995）或EPR质疑量子理论的完整性。

他们提出了一个被称为EPR悖论的思想实验：为了证明某些由纠缠产生的非经典相关性的合理性，遥远的量子系统必须立即交换信息，根据狭义相对论，这是不可能的。他们得出结论，这个悖论是由于量子理论的不完备性。EPR认为，这种不完备性可以通过包括局部隐变量来纠正，这些变量将使量子物理学像经典物理学一样具有确定性。

1964年，英国物理学家J.S.贝尔（1928-1990）重新审视了EPR论点，引入了一种优雅的形式主义，涵盖了局部隐变量的所有理论，无论每个变量可能具有的特定属性如何。贝尔证明，这些理论都无法重现量子物理学预测的两个系统所进行的测量之间的相关性。在我看来，这个结果，后来被称为贝尔定理，是量子物理学最重要的支柱之一。具有任何局部理论都无法重现的强相关性的性质现在被称为贝尔非局部性。阿兰·阿克瑞、约翰·克劳瑟和安东·蔡林格因通过实验观察贝尔非局域性等成就而获得 2022 年诺贝尔物理学奖，“拉贝洛说。

讨论隐变量的另一个重要结果是在Simon Kochen（1934-）和Ernst Specker（1920-2011）于1967年发表的一篇文章中提出的。作者证明，由于量子测量的结构和数学性质，任何再现量子物理学预测的隐变量理论都必须表现出上下文方面。

“尽管有共同的动机，但对贝尔非地方性和Kochen-Specker语境的研究在相当长的一段时间内都遵循了独立的路径。直到最近，人们才越来越有兴趣找出这两种现象是否可以在同一物理系统中同时显现。在2014年发表的一篇文章中，Pawel Kurzynski，Adán Cabello和Dagomir Kaszlikowski说不。他们通过一个特定的案例展示了原因，但仍然是一个有趣的案例。我们现在在我们的研究中驳斥了'不'，“拉贝洛说。

更多信息：彭雪等，贝尔非局域性和状态依赖性情境的同步观察，《物理评论快报》（2023）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.130.040201

期刊信息：物理评论快报