量子纠缠是如何揭示诡异的量子世界的


1935

“荒谬,上帝不会掷骰子。”阿尔伯特·爱因斯坦停下了手中的笔,注视着书桌上的手稿,倒吸了一口气,似乎想要发泄一下对自己老对手玻尔的不满,但他没有。爱因斯坦起身来到窗前望着天空说到:“这是一种鬼魅般的超距作用。”当时爱因斯坦为摆脱纳粹的迫害而出走德国并于百慕大的短期旅行途中申请在美国的永久居住权。时年5月,爱因斯坦联合鲍里斯·波多尔斯基(Boris Podolsky)和内森·罗森(Nathan Rosen)发表了题为《能认为量子力学对物理世界的描述是完备的吗?》的论文试图反驳玻尔等人对量子纠缠现象的解释。这篇论文中提出的观点被称为EPR悖论或者EPR佯谬。他们的观点基于两个假设前提。首先,如果一个测量结果可以被准确预言,那么一定存在某个属性与之对应,爱因斯坦称其为“实在要素”。第二,事件之间的影响速度不能超越光速。如果有两个纠缠电子被放置在宇宙两端,分别由喵星人汤姆和鼠星人杰瑞测量其自旋。如果汤姆沿x轴方向测量出电子自旋,由于完美的反向关联,他将瞬间知道杰瑞沿x轴方向的测量结果。同理,汤姆沿z轴测量出电子自旋的同一时间也会知道杰瑞沿z轴方向的测量结果。那么问题来了,为了与量子纠缠现象所揭示的反向关联特性相符合。杰瑞所在位置的电子自旋必须在任何方向都可测量,这就与海森堡不确定性原理相矛盾,因为这个原理告诉我们电子自旋只能在一个方向上拥有确定的数值,在其它方向上一定是模糊的。EPR据此断言量子理论是不完备的,并提出可能是某种目前还不为人知的理论导致了量子纠缠现象中粒子的模糊特性,物理学家们将其称为“定域隐变量理论”。


量子纠缠是如何揭示诡异的量子世界的


1964

贝尔是欧洲核子研究组织一名粒子加速器设计工程师。他对理论物理特别是量子论研究的痴迷从大学时代一直延续至今,并且自称是爱因斯坦的忠实粉丝,同时也坚信定域隐变量理论的正确性。这一年贝尔36岁,他像往常一样将办公桌上即将完工的设计图纸收拾整齐准备下班。日内瓦是位于瑞士日内瓦湖西南角的一座优美宁静的小城,回家路上贝尔回想起去年在这里与约克教授的那次会面,他们对EPR佯缪展开了深入讨论并且为物理学界长期以来针对EPR佯谬的争论而感到担忧。因为不管有没有隐变量,都不影响对最终结果的预言,物理学界对这一问题似乎也没那么感兴趣了。回到家,贝尔一头扎进书房,回顾这几年来的研究成果,他偶然间在手稿中发现了几组不知道什么时候写下的公式,也许是为了演算某个问题,也许是为了熟悉某个定理,他早已忘了当初写下它们的动机,但此刻贝尔敏锐地察觉到这几组被他忽视的公式中似乎隐藏着解开未来的钥匙。如果汤姆和杰瑞测量的方向是某些特定的组合,那么对于两人测量结果的关联,量子理论给出的预测要强于任何一种定域隐变量理论。贝尔告诉人们隐变量理论在某些情况下会给出与量子力学不同的预言,而贝尔不等式的提出为人们提供了实验验证的手段。从此之后,人们在贝尔理论的指导下进行了一系列的实验,实验结果大部分都违背了贝尔不等式,这表明无法用定域隐变量理论来解释量子纠缠中的关联作用。但是由于当时实验条件的限制,定域性漏洞和探测性漏洞的存在让实验结果不能令所有人信服。贝尔也许不会想到自己的工作成果会证明爱因斯坦关于量子论的观点是错误的,这真是一个意外的转折。


量子纠缠是如何揭示诡异的量子世界的


2015

荷兰代尔夫特理工大学物理实验室中一群研究人员正在紧张地忙碌着,为了确保万无一失,研究人员时刻监控着实验进行的每一个环节。他们设计了第一个关闭所有漏洞的贝尔不等式验证实验。在经历了数次失败以及夜以继日的设计完善工作之后,今天或许会迎来最终的胜利。他们将两个电子的自旋关联起来并分别放置在不同的实验室中,随机产生测量方向并且确保一边的实验室测量信息以光速传过来之前,测量结果已经被写在硬盘中。这样就关闭了定域性漏洞。他们首先将电子和光子纠缠起来,然后利用纠缠交换技术以光子为中介将两个电子关联起来,只有当两个电子成功纠缠之后才进行一次贝尔验证实验。这样避免了光子丢失对实验结果的影响,即关闭了探测性漏洞。在持续数周的实验之后,结果显示超出贝尔不等式的限制多达20%,这与量子理论的预言完全相符。


量子纠缠是如何揭示诡异的量子世界的


2016

酒泉卫星发射基地,随着一颗巨大的火球划破夜空,标志着我国研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射升空,并首次实现了千公里级星地双向量子纠缠分发,极大推动了关于大尺度量子通信实验的研究。


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