量子糾纏的實驗就像投擲硬幣一樣,重複幾千次之後才能有真正結果

一位在美國的科爾蓋特大學中,從事量子物理學研究工作的恩裡克▪加爾韋斯教授,此時正在與他的助手們展開一個有關量子糾纏的直播實驗,為了這個直播實驗他們因此有了一套全新的科學儀器設備,在這套科研儀器的設備到達實驗室之後不久,他們便開始進行了新的粒子實驗準備工作。

量子糾纏的實驗就像投擲硬幣一樣,重複幾千次之後才能有真正結果

恩裡克▪加爾韋斯教授此時面對著眼前的這些嶄新的科研設備時,興奮的告訴他的助手與同事們說道:“這可是我們的寶貝,我真的有些迫不及待的想要看看光量子瞬間移動是怎麼回事了,大家可不要認為我們只是為了好玩。”

雖然這是一句玩笑話,但是在他的身邊另外一位工作的同事,一邊在組裝著這些儀器設備時,一邊對著恩裡克▪加爾韋斯教授提出了,設計一個可以連“詩人學物理”班的那些中學生們都可以做到的量子物理糾纏的實驗;同時他還對恩裡克▪加爾韋斯教授提出了,只是一個沒有瞬間移動的簡單實驗步驟,能夠讓學生們容易實現量子糾纏實驗過程中走出最重要的一步,即生成糾纏的光量子後將它們彼此分離開來進行的簡單實驗就可以。

量子糾纏的實驗就像投擲硬幣一樣,重複幾千次之後才能有真正結果

但是,對於這些意見恩裡克▪加爾韋斯教授沒有回覆也可以認可,因為在他看來這些先進的儀器設備,看起來就好像是一個只能做一些非常簡單的實驗裝置;恩裡克▪加爾韋斯教授在完成了這些設備組裝之後,便開始在科爾蓋特大學中的一個物理學教育小組的課堂上,為老師們開始演示了這個有關量子糾纏的實驗是如何開展的。

首先,他把這次整個量子糾纏的實驗過程,做成了一個實驗手冊放在網絡上,在網絡上通過直播的形式讓那些喜歡自己動手的人們來親自做量子糾纏的實驗,同時也可以讓他們在自家的地下實驗室裡進行這種光量子粒子之間糾纏的實驗研究;通過這場別開生面而又令人們趣味橫生的量子糾纏的實驗直播,讓該物理學教育小組的前任主席戴維▪凡▪巴克先生表現了異常的興奮,他對著直播的人們說道:“這個量子糾纏的實驗,不再只是我們研究所與大學的工作了,未來它將會走到更多的尋常百姓家中,讓人們都一睹光量子真實的面目。”

量子糾纏的實驗就像投擲硬幣一樣,重複幾千次之後才能有真正結果

在這次光量子糾纏的實驗當中,恩裡克▪加爾韋斯教授把自己的實驗室裡一個“光具座”的光學平臺,改換成了量子糾纏的物理實驗,使得這場光量子糾纏的實驗研究,不僅僅是對全國進行直接的網絡直播,而且還可以以此對人們演示出什麼叫光量子糾纏的物理學現象,並且還能在實驗當中真正的實現一次光量子糾察的全部過程。

對於恩裡克▪加爾韋斯教授的這次光量子糾纏的實驗,有些科學家們對他進行了高度的評價,他們認為此次的實驗直播,是為了促使人們能夠直接的認識到在科學的研究工作中,最基本的物理學實驗的研究上,一種最高技術版本的“魯賓▪戈德堡投幣機”式的研究,是一場史無前例的科學實驗。

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投幣機

在這個“魯賓▪戈德堡投幣機”式的實驗中,恩裡克▪加爾韋斯教授只不過是將硬幣代替了光量子而已;但是,在這次實驗中光量子的這枚硬幣是“正面朝上”還是“反面朝上”,都將取決這個光量子是否能夠直接進行穿行過濾光鏡的結果;在這處實驗室中的計算機系統上,恩裡克▪加爾韋斯教授經過微調之後,將會使得實驗中的光量子穿過濾光鏡的概率達到50%的成功率。

這就正如愛因斯坦所說的上帝投擲骰子一樣;使得這次實驗中成功的生成了一對光量子的“硬幣”,如果這兩個光子在實驗中被同時投擲,那麼在計算機的記錄中將會顯出這枚“硬幣”是“正面朝上”還是“背面朝上”的記錄;因此之後,將會再次生成一對的光量子的“硬幣”,並以此類推的進行再再次的投擲、計算機的再記錄等,直到重複了幾千次之後,計算機的系統將這些光量子糾纏過程的統計數據進行類加。

量子糾纏的實驗就像投擲硬幣一樣,重複幾千次之後才能有真正結果

乍一看,我們想要實現從光量子的糾纏中得到一些可供預測的數據,依然還要花費上好大一會兒的功夫;但是正如科學家們所說的那樣,這個光量子糾纏的實驗可並不是“魯賓▪戈德堡投幣機”式的“硬幣”正反面的方向那樣簡單。

顯然,我們想將光量子的粒子想象成為一枚“硬幣”只是一個比喻而已;但是,只要我們不從這個字面的意義上去理解它,那麼我們就完全可以合理合法的繼續研究下去,哪怕這種光量子糾纏的實驗走進千家萬戶都不會有絕對的問題,那是因為我們的物理學家們,從來都只是利用比喻來理解我們平常人所不瞭解的物理學現象。

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為了使這套先進的儀器設備進行正常的運轉,恩裡克▪加爾韋斯教授還另外打開了一臺紫外激光器,讓這臺激光器中發射出來的激光,通過光學平臺上其中的一個光學元件裡,對著光量子的粒子進行彼此之間光束對齊的操作調整;以保證激光能夠照射到其中的一塊小小的硼酸鋇的晶體上。

當然,這個科學實驗早以在我們中國20世紀80年代的時期,就已經取得過一次豐碩的成果,在那次實驗之中,我們的科學家們通過激光對硼酸鋇晶體的照射後,發現了一種新的物質材料,而這種物質材料就是可以把一束紫外激光分解成為兩束紅光的物質;以便我們的科學家能夠從中分解出以粒子為最小單元的物質;當然,如果我們將這個最小單元的粒子進行放大觀察後,我們就會發現這些粒子都是由一個個光量子所組成的光束結構,同時我們也會看到其中的一些紫外激光照射到硼酸鋇的晶體上後,使得這之中的能量被分解成為一對雙胞胎的紅色光子的物質。

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硼酸鋇晶體

“瞧!一對硬幣出現了!”隨著恩裡克▪加爾韋斯教授的一聲驚奇的興奮聲,在他眼前的這個硼酸鋇晶體的上游區域,他順著一個名叫波片的光學元件的方向,來控制著硼酸鋇晶體中光量子的輸出,使得這個實驗之中紅色光子的物質,能否順利進行糾纏的活動都取決於他手中如何對波片的操控了。

假如,實驗中的兩道紅色光束沒有被調整好而分道揚鑣了,那麼它們在之後的實驗中就會錯過進行糾纏的機會,並且在之後的實驗之中也就再也起不到相互運動的作用了;恩裡克▪加爾韋斯教授熟練的將這兩道紅色的光束,分別對準了眼前的兩個偏振濾光鏡的設備之中。

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光量子糾纏實驗

熟練的使得這兩臺濾光鏡的設備,能夠與光量子產生一種偏振的濾光效果,而這個濾光鏡的設備將會決定光量子下一步振動的方向,即一種光量子極化的方向;當然,恩裡克▪加爾韋斯教授甚至可以通過旋轉濾光鏡的一側按鈕,來控制著其中哪些光量子的物質可以穿過濾光鏡的裝置;

在這個實驗中,恩裡克▪加爾韋斯教授把這兩個濾光鏡都改成了一個完全一樣的設置,使得濾光鏡能夠隨機性的允許其中一半的光量子數量進行穿過,以致於能夠模擬出“魯賓▪戈德堡投幣機”式的硬幣投擲的實驗效果。

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濾光鏡片

因此,我們從這個濾光鏡的設備中觀察到的那些穿過的光量子,被送到了光學平臺的另外一端光量子糾纏的探測器之中;光量子在這個探測器中,將會被轉換成為一種電子脈衝的能量結構;這樣一臺先進的光量子探測器是整套實驗設備之中,屬於那種最為昂貴的打破了要賠的組成部分,科學家們單單是為了能夠探測到一個光量子的物質,就使得這臺探測器中每個儀器的部件達到了4000多美元的價格。

因此,即使將實驗室中所有的燈光都關閉掉,依然還會有光的物質在這臺敏感的探測器讀數儀表中產生瘋狂的跳動,因為在這臺探測器的周圍環境中,只要有一絲的燈光光線照射到探測器之上,都會使得這臺探測器內部的探測指針蹭蹭的往上升。

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光線

看著這臺探測器中的指針,不禁的會讓我們想起一個漆黑的伸手不見五指的房間裡,實際上感覺著還是非常亮堂的;當然,實驗室中的科研人員們為了保證這個實驗能夠完美的進行下去,還得必須將手中的電話與筆記本電腦都完全的關閉掉,以此來保證不能讓其中的一個LED的燈光閃爍一下,以免使得這個光量子的糾纏實驗前功盡棄。

“曾經有那麼一段的時間,我們不得不將實驗室中所有的閃光點,都用上黑色的膠帶封住,以免得我們光量子糾纏的實驗無法進行下去,要是你們都知道我們這個實驗室裡為什麼這麼暗,那麼你們會為這個結果感到非常的吃驚。”恩裡克▪加爾韋斯教授如是說;隨後,他把一塊黑色的絨布拿出來鋪在了眼前探測器的儀器上,之後又順手將整個光學平臺的四周拉上了一道厚厚的簾子,以遮擋住外面光線物質對光量子糾纏實驗的干擾。

量子糾纏的實驗就像投擲硬幣一樣,重複幾千次之後才能有真正結果

當這個光量子糾纏實驗進行到最後的階段時,恩裡克▪加爾韋斯教授面前已經連接上了3臺電子儀表的探測器上,搬出來放置到厚厚的簾子之外,在眾人的面前人們發現其中兩個電子儀器的讀表上,已經顯示出了此時正在穿過兩個偏振濾光鏡中光量子的粒子數量。

恩裡克▪加爾韋斯教授隨即又打開了一臺光學平臺上的激光器,使得這個探測器中的讀數以微秒為單位的秒錶數值,呈現出爆炸性的攀升;在其中的一個電子儀器的讀數上,此刻已經顯示出了一個名叫“符合數”的衡量單位,“符合數”的顯示錶明瞭探測器中的一對光量子正在處於糾纏之中,光量子的物質正在源源不斷的通過實驗室中光學平臺上濾光鏡的區域。

量子糾纏的實驗就像投擲硬幣一樣,重複幾千次之後才能有真正結果

光量子的糾纏現象

所以,當科學家們對這次光量子糾纏的實驗,用“硬幣”的模擬投幣實驗來做通俗的比喻,恰如其分的表明了這是一次完美“符合數”的實驗,意味著在探測器中的那兩枚“硬幣”的投擲方向,都是以正面朝上的形態結構而形成的;同時也表明了這些“符合數”的實驗結果,正是恩裡克▪加爾韋斯教授長期研究和探索光量子的實驗中,通過了愛因斯坦“非定域性”理論上的一個非常重要的研究方向。


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