也許量子力學(xué)最著名的奇怪特征是非局域性：測(cè)量糾纏對(duì)象中的一個(gè)粒子，其伴侶在數(shù)英里之外，測(cè)量似乎會(huì)撕裂中間的空間，瞬間影響其伴侶。這種“遠(yuǎn)處的幽靈行為”（阿爾伯特·愛因斯坦稱之為“幽靈行為”）一直是量子理論測(cè)試的主要焦點(diǎn)。

西班牙塞維利亞大學(xué)的物理學(xué)家阿德·卡貝羅說：“非定域性是壯觀的。我的意思是，它就像魔法一樣?！?。

但卡貝羅和其他人對(duì)研究量子力學(xué)的一個(gè)鮮為人知但同樣神奇的方面感興趣：情境性。上下文性表示粒子的屬性，例如它們的位置或極化，只存在于測(cè)量的上下文中。與其認(rèn)為粒子的屬性有固定的值，不如把它們看作語言中的單詞，其含義可以根據(jù)上下文的不同而變化：“時(shí)間像箭一樣飛逝，果蠅像香蕉一樣飛逝?！?/p>

雖然上下文性在非定域性的陰影下已經(jīng)存在了50多年，但量子物理學(xué)家現(xiàn)在認(rèn)為它比非定域性更像是量子系統(tǒng)的一個(gè)標(biāo)志性特征。例如，巴西圣保羅大學(xué)的物理學(xué)家巴巴拉·阿馬拉（BárbaraAmaral）說，單個(gè)粒子是一個(gè)量子系統(tǒng)，“在其中你甚至不能考慮非局域性”，因?yàn)榱Ｗ又辉谝粋€(gè)位置?！耙虼耍瑥哪撤N意義上來說，[背景性]更為普遍，我認(rèn)為這對(duì)于真正理解量子系統(tǒng)的力量以及深入探究量子理論為何如此重要。”

研究人員還發(fā)現(xiàn)，量子計(jì)算機(jī)能夠有效解決普通計(jì)算機(jī)無法解決的環(huán)境和問題之間存在著誘人的聯(lián)系；研究這些聯(lián)系有助于指導(dǎo)研究人員開發(fā)新的量子計(jì)算方法和算法。

伴隨著新的理論興趣，又有了新的實(shí)驗(yàn)努力來證明我們的世界確實(shí)是有關(guān)聯(lián)的。2月，卡貝羅與中國北京清華大學(xué)的Kihwan Kim合作發(fā)表了一篇論文，聲稱他們進(jìn)行了第一次無漏洞的情境性實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

第117個(gè)方向

北愛爾蘭物理學(xué)家約翰·斯圖爾特·貝爾（JohnStewartBell）被廣泛認(rèn)為證明了量子系統(tǒng)可以是非局域的。通過比較兩個(gè)糾纏粒子的測(cè)量結(jié)果，他用1965年的同名定理表明，粒子之間的高度相關(guān)性不可能用定義每個(gè)粒子各自特性的局部“隱藏變量”來解釋。糾纏對(duì)中包含的信息必須在粒子之間非局部共享。

在20世紀(jì)60年代末證明了一個(gè)定理，表明量子系統(tǒng)不可能在所有情況下都具有所有屬性的固定值

貝爾還證明了一個(gè)關(guān)于語境的類似定理。他和西蒙·科欽（SimonKochen）和恩斯特·斯派克（ErnstSpecker）分別證明，量子系統(tǒng)不可能有隱藏變量，這些變量定義了所有可能的上下文中所有屬性的值。

在Kochen和Specker的證明中，他們考慮了一個(gè)具有稱為自旋的量子特性的單個(gè)粒子，它既有大小也有方向。沿任何方向測(cè)量自旋的大小總是會(huì)產(chǎn)生兩種結(jié)果之一：1或0。研究人員接著問：在測(cè)量之前，粒子是否可能秘密地“知道”每一次可能的測(cè)量結(jié)果？換句話說，他們是否可以同時(shí)為所有可能測(cè)量的所有結(jié)果分配一個(gè)固定值（一個(gè)隱藏變量）？

量子理論說，沿三個(gè)垂直方向的自旋大小必須遵守“101規(guī)則”：其中兩個(gè)測(cè)量的結(jié)果必須是1，另一個(gè)必須是0。Kochen和Specker利用這一規(guī)則得出了一個(gè)矛盾。首先，他們假設(shè)每個(gè)粒子的每個(gè)自旋方向都有一個(gè)固定的固有值。然后，他們沿著某個(gè)獨(dú)特的方向進(jìn)行假設(shè)的自旋測(cè)量，將結(jié)果指定為0或1。然后，他們反復(fù)旋轉(zhuǎn)假設(shè)測(cè)量的方向，然后再次測(cè)量，每次要么自由地給結(jié)果賦值，要么推斷出數(shù)值必須是什么，以滿足101規(guī)則以及他們之前考慮的方向。

他們一直持續(xù)到第117個(gè)方向，矛盾突然出現(xiàn)。雖然他們之前為沿此方向的自旋指定了一個(gè)值0，但101規(guī)則現(xiàn)在規(guī)定自旋必須為1。測(cè)量結(jié)果不可能同時(shí)返回0和1。因此物理學(xué)家得出結(jié)論，粒子不可能有固定的隱藏變量，無論上下文如何，這些變量都保持不變。

雖然證據(jù)表明量子理論需要情境性，但無法通過117次對(duì)單個(gè)粒子的同時(shí)測(cè)量來證明這一點(diǎn)。自那以后，物理學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了更實(shí)用、更可在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)的貝爾-科興-斯派克定理，該定理涉及多個(gè)糾纏粒子，其中一個(gè)粒子的特定測(cè)量定義了其他粒子的“背景”。

一個(gè)問題接一個(gè)問題

2009年，背景性這一現(xiàn)實(shí)底層結(jié)構(gòu)中看似深?yuàn)W的方面得到了直接應(yīng)用：原始Bell-Kochen-Specker定理的簡(jiǎn)化版本之一被證明等效于基本的量子計(jì)算。

該證明以其創(chuàng)始人大衛(wèi)·默敏的名字命名為默敏之星，它考慮了可以在三個(gè)糾纏量子比特或量子比特上進(jìn)行的各種上下文測(cè)量組合。早期測(cè)量如何影響后期測(cè)量結(jié)果的邏輯已成為基于測(cè)量的量子計(jì)算方法的基礎(chǔ)。這一發(fā)現(xiàn)表明，情境性可能是量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更快地解決某些問題的關(guān)鍵所在，這一優(yōu)勢(shì)一直是研究人員難以理解的。

不列顛哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家羅伯特·勞森多夫（RobertRaussendorf）是基于測(cè)量的量子計(jì)算的先驅(qū)，他指出，量子計(jì)算機(jī)在某些任務(wù)上擊敗經(jīng)典計(jì)算機(jī)是必要的，但他認(rèn)為這并不是全部。他說，情境性是否為量子計(jì)算機(jī)提供動(dòng)力“可能不是一個(gè)完全正確的問題”。“但我們需要一個(gè)問題一個(gè)問題地問。所以我們問一個(gè)我們知道如何問的問題；我們得到了答案。我們問下一個(gè)問題?！?/p>

無漏洞測(cè)試

一些研究人員指出，貝爾、科興和斯派克關(guān)于世界是有關(guān)聯(lián)的結(jié)論存在漏洞。他們認(rèn)為，與上下文無關(guān)的隱藏變量尚未被最終排除。

2月，卡貝羅和金宣布，他們通過進(jìn)行“無漏洞”的貝爾-科興斯帕克實(shí)驗(yàn)，堵住了所有可能的漏洞。

該實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量兩個(gè)纏結(jié)陷阱的離子在不同方向上的自旋，其中一個(gè)離子的測(cè)量選擇決定了另一個(gè)離子的上下文。物理學(xué)家們表明，雖然對(duì)一個(gè)離子進(jìn)行測(cè)量不會(huì)對(duì)另一個(gè)離子產(chǎn)生物理影響，但它會(huì)改變環(huán)境，從而改變第二個(gè)離子測(cè)量的結(jié)果。

懷疑論者會(huì)問：你如何確定第一次測(cè)量所創(chuàng)造的環(huán)境是什么改變了第二次測(cè)量結(jié)果，而不是其他可能因?qū)嶒?yàn)而異的條件？Cabello和Kim通過進(jìn)行數(shù)千組測(cè)量來彌補(bǔ)這一“銳度漏洞”，并表明如果環(huán)境不改變，結(jié)果不會(huì)改變。在排除了這一漏洞和其他漏洞后，他們得出結(jié)論，對(duì)其結(jié)果唯一合理的解釋是環(huán)境性。

卡貝洛和其他人認(rèn)為，這些實(shí)驗(yàn)將來可以用來測(cè)試量子計(jì)算設(shè)備的上下文水平，從而測(cè)試其能力。

卡貝羅說：“如果你想真正了解世界是如何運(yùn)轉(zhuǎn)的，你真的需要深入了解量子環(huán)境的細(xì)節(jié)。”