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，那么测量结果似乎会穿越中间空间，瞬间影响到它的伴侣。这种“幽灵般的超距作用”(正如Albert Einstein所说)一直是量子理论测试的主要焦点。

“非定域性是壮观的。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Cabello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：互文性。互文性是指粒子的性质，例如它们的位置或极化，仅存在于测量的语境中。与其将粒子的属性视为具有固定值，不如将它们更像是语言中的单词，其含义可以根据语境而改变：“时间像箭头一样飞逝。果蝇就像香蕉一样。”

尽管互文性在非定域性的阴影下已经存在了50多年，量子物理学家现在认为它比非定域性更像是量子系统的标志特征。巴西São Paulo大学的物理学家Bárbara Amaral说，例如，单个粒子是一个量子系统，在这个量子系统中，你甚至不能考虑非定域性，因此，从某种意义上说，“语境”更为普遍，我认为这对于真正理解量子系统的力量并更深入地了解为什么量子理论是这样的很重要。

研究人员还发现，在情境性和量子计算机可以有效解决普通计算机无法解决的问题之间具有诱人的联系。研究这些联系可以帮助指导研究人员开发新的量子计算方法和算法。

随着理论兴趣的重新燃起，人们又开始了实验，以证明我们的世界确实是相关的。今年2月，Cabello 与中国北京清华大学的 Kihwan Kim 合作，发表了一篇论文，声称他们已经对语境进行了第一次无漏洞实验测试。

第117个方向

北爱尔兰物理学家John Stewart Bell因证明量子系统可以是非局域的而广受赞誉。通过比较两个纠缠粒子的测量结果，他在1965年用他的同名定理表明，粒子之间的高度相关性不可能用定义每个粒子单独属性的局部“隐藏变量”来解释。纠缠对中包含的信息必须在粒子间非局域共享。

Bell也证明了一个关于语境的类似定理。他和Simon Kochen和Ernst Specker分别表明，量子系统不可能有隐藏变量来定义所有可能情况下所有属性的值。

在 Kochen 和 Specker 的证明版本中，他们考虑了具有称为自旋的量子性质的单个粒子，该粒子既有大小又有方向。沿任何方向测量自旋的大小总是导致两种结果之一：1或0。研究人员接着问：粒子有没有可能在测量之前秘密地“知道”每一次可能的测量结果是什么？换句话说，他们能否同时为所有可能的测量的所有结果分配一个固定值——一个隐藏变量？

量子理论认为，沿三个垂直方向的自旋幅度必须遵守“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Spectker利用这条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，他们反复旋转他们假设的测量方向并再次测量，每次要么自由地为结果分配一个值，要么推断出值必须是什么，以便满足101规则以及他们之前考虑过的方向。

他们一直持续到第117个方向，矛盾出现了。虽然他们之前已经为沿这个方向的自旋分配了一个值0，但101规则现在规定自旋必须是1。测量结果不可能同时返回 0 和 1。因此，物理学家们得出结论，一个粒子不可能有固定的隐藏变量，它们在任何环境下都保持不变。

虽然证据表明量子理论需要互文性，但没有办法通过对单个粒子的117次同时测量来证明这一点。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“互文性”。

逐个问题

2009年，互文性，现实底层结构的一个看似深奥的方面，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David Mermin的名字命名为默明之星，它考虑了可以对三个纠缠的量子比特进行的语境测量的各种组合。早期测量如何影响后期测量结果的逻辑已经成为一种称为基于测量的量子计算方法的基础。这一发现表明，语境可能是为什么量子计算机可以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Robert Raussendorf 表示，量子计算机在某些任务上击败经典计算机需要语境联系，但他认为这不是全部。他说，互文性是否能为量子计算机提供动力“可能并不完全是正确的问题”。“但我们需要逐个问题地实现这一目标。因此，我们问一个我们知道如何问的问题;我们得到了答案，然后我们再问下一个问题。”

无漏洞测试

一些研究人员指出，Bell、Kochen和Specker关于世界是有语境联系的结论存在漏洞。他们认为，与语境无关的隐藏变量还没有被完全排除。

今年2月，Cabello 和 Kim 宣布，他们通过进行一个“无漏洞”的Bell-Kochen-Specker实验，填补了所有可能存在的漏洞。

实验要求测量两个纠缠的困住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环境。物理学家指出，虽然对一个离子进行测量不会在物理上影响另一个离子，但它改变了环境，从而改变了第二个离子的测量结果。

怀疑论者会问:你怎么能确定第一次测量产生的环境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?卡贝洛和金通过执行数千套测量，并表明如果环境不改变，结果就不会改变，从而填补了这个“锐度漏洞”。在排除了这个漏洞和其他漏洞之后，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，这些实验在未来可以用来测试量子计算设备互文性的水平，从而测试量子计算设备的能力。

“如果你想真正了解世界是如何运作的，”Cabello说，“你真的需要深入研究量子互文性的细节。”

原文链接：https://www.quantamagazine.org/the-spooky-quantum-phenomenon-youve-never-heard-of-20220622/

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