中 科 院 高 能 所 20190717

 
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在 一 项 近 期 发 表 于 《 科 学 · 进 展 》 的 研 究 中 ， 英 国 格 拉 斯 哥 大 学 的 物 理 学 家 保 罗 -安 托 万 · 莫 罗 （ Paul-Antoine Moreau ） 带 领 团 队 首 次 拍 摄 到 量 子 纠 缠 的 照 片 。 终 于 ， 人 类 第 一 次 亲 眼 看 见 这 种 「 幽 灵 般 的 超 距 作 用 」 。

 
撰 文 | 张 华
编 辑 | 吴 非
来 源 | 环 球 科 学 （ huanqiukexue ）

1935 年 ， 在 普 林 斯 顿 高 等 研 究 院 ， 阿 尔 伯 特 · 爱 因 斯 坦 （ Albert Einstein ） 与 鲍 里 斯 · 波 多 尔 斯 基 （ Boris Podolsky ） 、 纳 森 · 罗 森 （ Nathan Rosen ） 共 同 提 出 了 EPR 悖 论 。 这 个 悖 论 显 示 ， 在 量 子 力 学 中 ， 两 个 相 互 作 用 的 粒 子 ， 无 论 相 隔 多 远 （ 理 论 上 这 个 距 离 可 以 比 银 河 系 直 径 还 大 ） ， 其 量 子 状 态 仍 能 「 纠 缠 」 在 一 起 ， 共 享 同 一 个 整 体 的 物 理 状 态 。 这 种 超 距 的 量 子 关 联 被 称 为 量 子 纠 缠 ， 也 被 爱 因 斯 坦 称 为 「 幽 灵 般 的 超 距 作 用 」 。

之 所 以 被 称 作 悖 论 ， 是 因 为 这 在 当 时 看 起 来 似 乎 违 反 了 狭 义 相 对 论 。 爱 因 斯 坦 他 们 认 为 量 子 力 学 是 错 的 ： 量 子 力 学 之 所 以 呈 现 出 不 可 预 测 的 概 率 性 ， 是 因 为 还 有 一 些 物 理 变 量 隐 藏 起 来 了 。 （ 比 如 我 们 不 能 预 测 股 票 市 场 的 涨 跌 ， 是 因 为 影 响 股 票 市 场 的 变 量 很 多 ， 比 如 某 地 发 生 了 山 体 滑 坡 会 影 响 股 票 市 场 ， 而 如 果 这 个 山 体 滑 坡 的 消 息 只 被 少 数 几 个 人 知 道 ， 对 大 多 数 股 民 来 说 ， 这 消 息 就 是 一 个 隐 变 量 。 ）

爱 因 斯 坦 等 人 的 EPR 论 文 希 望 用 所 谓 的 「 定 域 隐 变 量 理 论 」 来 取 代 量 子 力 学 理 论 ， 从 而 克 服 悖 论 引 发 的 困 难 。

爱 因 斯 坦 认 为 ， 量 子 力 学 中 存 在 隐 变 量 。 如 果 隐 变 量 真 的 存 在 ， 那 就 必 须 要 找 出 来 。

1965 年 ， 当 时 在 欧 洲 核 子 中 心 研 究 高 能 物 理 的 年 轻 研 究 人 员 约 翰 · 贝 尔 （ John Bell ） 发 表 论 文 指 出 ， 对 于 EPR 悖 论 ， 其 实 是 可 以 做 实 验 来 验 证 的 。 对 于 量 子 纠 缠 的 两 个 粒 子 来 说 ， 量 子 力 学 得 到 的 统 计 关 联 性 结 果 比 定 域 性 隐 变 量 理 论 要 强 很 多 。 因 此 ， 实 验 是 可 以 分 辨 出 这 两 种 理 论 的 。 在 文 章 中 ， 贝 尔 给 出 了 一 个 不 等 式 来 说 明 ， 如 果 用 S 来 表 示 两 个 粒 子 的 统 计 关 联 的 程 度 ， 那 么 ：

在 贝 尔 论 文 的 指 引 下 ， 物 理 学 家 用 正 负 电 子 湮 灭 产 生 的 高 能 伽 马 射 线 的 两 个 相 互 纠 缠 的 光 子 ， 做 了 一 些 实 验 试 图 检 验 贝 尔 不 等 式 。 但 是 ， 当 时 这 种 高 能 光 子 的 探 测 器 比 较 难 分 辨 量 子 纠 缠 。 1981 年 ， 法 国 一 位 名 为 阿 兰 · 阿 斯 佩 克 特 （ Alain Aspect ） 的 博 士 生 用 钙 原 子 激 发 产 生 的 两 个 可 见 光 子 做 了 实 验 ， 也 证 明 了 实 验 结 果 符 合 量 子 力 学 的 预 测 ， 而 不 符 合 定 域 性 隐 变 量 理 论 ， 这 相 当 于 给 定 域 性 隐 变 量 理 论 盖 上 了 棺 材 板 。

目 前 ， 科 学 界 普 遍 接 受 了 量 子 力 学 的 正 统 解 释 ， 也 接 受 了 量 子 纠 缠 的 存 在 性 。 不 过 ， 人 们 却 始 终 没 有 真 正 看 到 量 子 纠 缠 的 图 像 。

如 果 要 给 量 子 纠 缠 拍 照 ， 首 先 要 建 立 一 个 量 子 纠 缠 的 系 统 ， 否 则 巧 妇 难 为 无 米 之 炊 。

而 建 立 量 子 纠 缠 的 系 统 有 很 多 种 方 法 ， 比 如 可 以 研 究 电 子 与 电 子 之 间 的 量 子 纠 缠 ， 也 可 以 研 究 光 子 与 光 子 之 间 的 量 子 纠 缠 。

格 拉 斯 哥 大 学 的 研 究 人 员 使 用 的 是 光 子 。 他 们 设 计 了 一 个 实 验 系 统 ： 一 个 波 长 为 355 纳 米 的 紫 外 光 子 通 过 了 偏 硼 酸 钡 （ BBO ） 晶 体 后 ， 变 成 了 两 个 710 纳 米 的 红 光 光 子 。

随 后 ， 他 们 使 用 分 束 器 让 这 两 个 波 长 为 710 纳 米 的 光 子 分 离 ， 它 们 各 自 沿 着 光 学 系 统 中 的 两 条 不 同 的 光 路 传 播 。 这 两 条 光 路 的 长 度 不 一 样 ， 因 此 可 以 调 节 两 个 光 子 达 到 探 测 器 的 时 间 差 。

这 两 个 分 道 扬 镳 的 光 子 ， 就 是 一 对 纠 缠 光 子 。 为 什 么 它 们 是 量 子 纠 缠 的 呢 ？ 因 为 这 两 个 710 纳 米 的 光 子 是 轨 道 角 动 量 等 于 0 的 355 纳 米 的 光 子 通 过 BBO 晶 体 产 生 的 。 根 据 角 动 量 守 恒 定 律 ， 这 一 对 纠 缠 光 子 （ 标 记 为 1 号 光 子 与 2 号 光 子 ） 的 轨 道 角 动 量 分 别 是 +1 与 -1 。 所 以 ， 它 们 可 以 构 成 一 个 如 下 的 纠 缠 态 （ 用 狄 拉 克 符 号 表 示 ） ：

根 据 这 一 原 理 ， 可 以 产 生 大 量 的 纠 缠 光 子 对 （ 具 有 不 同 轨 道 角 动 量 的 光 子 具 有 不 同 的 波 前 ， 这 在 实 验 中 可 以 检 测 出 来 ） 。

有 了 量 子 纠 缠 的 光 子 以 后 ， 就 可 以 拍 照 了 。

以 前 检 验 量 子 纠 缠 的 方 法 ， 比 如 前 面 提 到 的 阿 兰 · 阿 斯 佩 克 特 的 实 验 ， 也 是 基 于 可 见 光 的 光 子 。 但 当 时 是 对 光 子 的 个 数 进 行 计 数 ， 而 没 有 直 接 拍 摄 量 子 纠 缠 的 照 片 。

在 最 新 研 究 中 ， 格 拉 斯 哥 大 学 的 实 验 装 置 相 当 于 一 台 超 灵 敏 的 照 相 机 ， 能 够 探 测 单 个 光 子 。

具 体 来 说 ， 一 对 光 子 被 分 束 器 （ 上 图 中 的 BS ） 分 离 ， 分 别 沿 着 两 条 路 线 传 播 。 其 中 ， 第 一 个 光 子 经 过 空 间 光 调 制 器 （ SLM 1 ） ， 被 光 纤 收 集 后 ， 继 而 被 单 光 子 探 测 器 （ SPAD ） 探 测 到 。 另 一 个 光 子 经 过 分 束 器 折 射 后 ， 沿 着 另 一 条 光 路 传 播 ， 通 过 了 放 置 在 BBO 晶 体 的 傅 里 叶 平 面 的 SLM 2 。 然 后 ， 这 个 光 子 会 通 过 一 段 20 米 长 的 延 迟 线 （ Delay line ） ， 最 终 被 增 强 型 电 荷 耦 合 检 测 器 （ ICCD ） 相 机 检 测 到 。

这 项 实 验 的 设 计 原 理 是 ， 当 第 一 条 光 路 上 的 SPAD 探 测 到 光 子 时 ， 便 将 信 号 传 送 至 ICCD 相 机 、 触 发 ICCD 相 机 拍 摄 照 片 。 由 于 量 子 纠 缠 存 在 ， 相 机 应 该 能 捕 捉 到 第 二 条 光 路 上 的 光 子 。 但 由 于 相 机 存 在 触 发 延 迟 ， 因 此 第 二 条 光 路 精 确 设 置 了 延 迟 线 ， 从 而 确 保 第 二 个 光 子 到 达 的 时 间 与 相 机 拍 照 的 瞬 间 恰 好 一 致 。 这 样 ， 相 机 就 捕 捉 到 一 个 可 见 的 光 子 纠 缠 记 录 。

随 后 ， 他 们 设 计 了 一 个 系 统 ， 让 大 量 的 纠 缠 光 子 显 示 在 液 晶 材 料 上 ， 液 晶 材 料 在 光 子 通 过 时 可 以 记 录 下 来 形 成 图 像 。 这 证 明 了 量 子 纠 缠 是 存 在 的 。

格 拉 斯 哥 大 学 的 物 理 学 家 成 功 拍 摄 到 量 子 纠 缠 的 照 片 ， 而 且 他 们 的 实 验 得 到 的 贝 尔 不 等 式 相 关 参 数 S = 2.443 （ 因 为 实 验 有 各 种 误 差 ， 所 以 没 有 达 到 最 大 的 量 子 纠 缠 2^3/2， 即 2.82 ） 。 但 很 明 显 ， 2.443 这 个 数 字 是 大 于 2 的 ， 这 无 疑 再 次 说 明 了 ， 量 子 纠 缠 是 真 实 存 在 的 。