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物理学家告诉你走近量子纠缠(9):四人纠缠-CHSH
学网张天蓉博客,收藏有删减)

          走近量子纠缠(9):四人纠缠-CHSH​

  
当初贝尔发表了论文之后,物理界并没有很多人关注贝尔不等式的实验验证。其原因之一是很多物理学家已经深感量子力学的正确性,认为量子现象与经典规律的确大相庭径,世纪之争已经画上句号。物理学家们不感兴趣的原因之二便是纠缠态的实验太困难了,实验室要维持一对电子的纠缠态谈何容易。

【2011年初,有报道说有研究者认为,一种名为(European robins子的眼睛中有一个基于量子纠缠态的指南针,这种纠缠态的量子效应使得子眼睛能够感受到极其微弱的地球磁场,从而找到正确的飞行方向。但不知此消息是真是假,有无进一步的实验验证。从物理学家们对此报道的评论可以看出,实验室中的纠缠态是多么难以维持。

如果子眼睛的假设成立,科学家得出结论:鸲子的眼睛能够维持量子纠缠的时间,比先进的实验室设备还要长20微秒。因为在实验室中得到的量子纠缠态非常脆弱。当原子被冷却到接近绝对零度的环境下时,得到的纠缠态也只能维持千分之几秒,室温下的纠缠态只可能有微秒的数量级。】
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克劳瑟的父亲常对他说:“别轻易相信理论家们构造的各种各样漂亮的理论,最后他们也一定要回过头来,看看实验中你得到的那些原始数据。”

                          克劳瑟(John F Clauser
     克劳瑟在纽约的哥伦比亚大学时,对重视实验的李政道仰慕有加,也庆幸该校有吴健雄这样的著名实验物理学家及先进的实验条件。他意识到,吴健雄和萨科诺夫20多年前用正负电子湮灭对产生纠缠光子的方法,很适合验证贝尔不等式。但是,这种方法产生的光子对的能量太高、纠缠相关度不够,必须另辟蹊径。

克劳瑟不断思考贝尔不等式、关EPR佯谬,使他几乎忘记了指导老师要他做的有关微波背景辐射的博士课题。克劳瑟的博士导师塞迪斯是诺贝尔奖得主汤斯(发明激光)的学生。克劳瑟刚到哥伦比亚大学时,对与激光有关的天体物理非常感兴趣,据说观测结果可以用来证明宇宙大爆炸的理论,所以他决定跟塞迪斯作微波背景辐射的研究。“高级量子力学”是必修课之一,克劳瑟修了3个学期才满足哥大要求。他后来诙谐调侃:“我在哥大修了3次量子力学,不过不丢脸,我有一个同伴,听说诺贝尔奖得主汤斯当年对这门课程也至少修过两次!”也许正因为修了这么多次量子力学,克劳瑟才对量子论的基础发生了浓厚的兴趣。

克劳瑟的指导教授塞迪斯不喜欢克劳瑟移情别恋做有关贝尔不等式的工作,认为那是“浪费时间的一堆垃圾”。他给克劳瑟写的找工作的推荐信中的一段话(在克劳瑟已经完成了第一次验证贝尔不等式的实验之后):“不要聘用这个家伙!因为只要一逮到机会,他就要去做量子力学实验中的那些垃圾工作。”塞迪斯后来为此表示过歉意。

克劳瑟离开塞迪斯教授为他计划的弯曲时空研究,一头栽进了量子陷阱。经过一段时间的深思熟虑,考虑到进行实验的可能性和准确性,克劳瑟认为实验需要重新设计,最好用可见光,另外,贝尔不等式也需要改进。他写了一篇论文寄给了1969年的美国物理学年会,虽然很多物理学家不看好克劳瑟的工作,但在波士顿却有人和他不谋而合,想到一起去了。这就是CHSH四人组合中年龄最大的西摩尼,以及他的学生霍恩。

西摩尼年轻时一直学习和研究哲学,1953年25岁时在耶鲁大学哲学系得到了他的博士学位。毕业后很快获得了麻省理工哲学系的终身教授职位。可是,西摩尼却始终挥之不去心中的“理论物理情结”。之后,他又到普林斯顿大学攻读物理系的博士,师从诺贝尔奖得主尤金·维格纳,并在毕业之后放弃了麻省理工这个第一流大学的终身教职,而重新接受了波士顿大学的助理教授位置。因为这个位置是哲学系和物理系共同设置的,在这个位置上,他可以研究他所感兴趣的理论物理中的哲学问题。

 

 西摩尼(Abner Shimony

西摩尼对量子力学基础理论的兴趣,起始于在1963年参加辛辛那提的第一次物理界学术会议。这次会议正好是由鲍里斯·波多尔斯基(EPR中的P)主持。那时爱因斯坦和波尔都已经相继去世,波多尔斯基是辛辛那提泽维尔大学的教授。这是一次真正令西摩尼兴奋的会议,与会的不乏鼎鼎有名的物理界泰斗:魏格纳、狄拉克、波姆、阿哈罗诺夫(AB效应中的A,波姆是B)等。分组讨论时,魏格纳提议让西摩尼讲话,西摩尼便给了一个“观察者在量子理论中的作用”的发言。狄拉克还问了他一个简单的哲学问题:“唯我主义是什么?”。自此,西摩尼的兴趣和研究方向转到量子力学的基本理论问题。返回波士顿之后,他将在会上的发言稿整理成文,寄给物理界的同行们。后来,西摩尼在邮箱中发现了贝尔的文章,但他不知道是谁放到邮箱里的。这是西摩尼第一次知道贝尔不等式和贝尔定理,看了好几遍文章之后,西摩尼逐渐弄明白了掩藏在贝尔不等式后面的巨大意义:要解决量子论中深奥哲学问题的一个具体措施,可以到实验室中去实现!于是,西摩尼和克劳瑟一样,殊途同归地投入到量子实验。

霍恩是西摩尼在波士顿大学的第一个研究生,对西摩尼交给他的贝尔论文很感兴趣,便开始和西摩尼一起探索进行此类实验的可能性。西摩尼毕竟是哲学家出身,谈物理理论在行,对实验还一知半解。当师徒二人到物理系实验室后,逢人便请教各种实验方法,以至于许多人都被他俩喋喋不休的问题问怕了。后来,有人介绍他们去找哈佛大学的一个实验物理学家,一个正计划做双光子相干实验的研究生霍尔特。自此,三个人开始了他们的“纠缠”研究。 

   霍恩(Michael Horne)​    ​

     他们三人与哥伦比亚大学克劳瑟走的路基本相同,也开始写论文,但他们晚了一步,没有及时将文章摘要寄到1969年的华盛顿年会上。当知道被人抢了先时,西摩尼难免有些沮丧。他听了维格纳的建议,直接给纽约的克劳瑟通了电话。没想到克劳瑟听见有人也想做同样的实验,感到非常吃惊和高兴。他在文章的著作权一事上表现得很大度,这样,才因此而有了后来的CHSH论文。

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