打开APP
userphoto
未登录

开通VIP,畅享免费电子书等14项超值服

开通VIP
物理学家告诉你走近量子纠缠(10):实验证实

​   
克劳瑟的宽阔胸怀,也因为他了解到波士顿的3个人已经开始计划真正的实验,迫不及待地想加入其中。有关改良和验证贝尔不等式的这篇论文以四位物理学家(CHSH)共同署名发表。论文中改良了的贝尔不等式,取消了几个限制条件,并且重新设计了切实可行的实验方案。
​   
贝尔不等式|Pxz-Pzy|≤1+Pxy需要改进的是:不等式中有三个测量方向x、y、z,是测量两个互为纠缠的粒子时共用的,而我们又希望在测量的时候两个纠缠粒子分开得越远越好。但远到一定距离就不太容易保证两边用的是同一个坐标系,好比是让一对双胞胎远隔天边,他们再没办法互相丢眼色、弄虚作假。因此,CHSH的论文取消了Bell不等式需要的这个限制,重新推导出一个CHSH-Bell不等式:|P(a1,b1)+P(a1,b2)+P(a2,b1)P(a2,b2)|≤2。这里P(ai,bj)表示相应的相关函数,ai、bj为实验中的统计平均值。
​   
这个新不等式的相关实验,不像原贝尔不等式那样难以实现。在改良的不等式中,一对变量,也就是测量的方向(a1,a2)可以在一个子系统上由爱丽丝完成,而另一对变量(b1,b2)的测量,在另一个子系统上由鲍勃完成。从理论上讲,这两个子系统可以位于空间分离相隔很远的地点。如果在CHSH-Bell不等式中假设体系总自旋为零,并且选取特殊情况的a1= b1,以及使用理想的反向关联函数P(b1,b1)=1,CHSH-Bell不等式就化简为原版的Bell不等式。  

 

图1 

    CHSH论文中提到用“原子级联”的方法来生成验证Bell-CHSH不等式的纠缠光子对(图1),而不是用吴健雄那种正负电子对湮灭的方法。“原子级联”的实验在几年由加州柏克莱大学的科协尔和康明斯两人做过,并且他们测量过相关函数,但测量数据不足以用来证明贝​尔不等式,因为他们只测量了交角为和90°时候的相关函数值。根据量子力学,夹角为θ的两个不同方向上纠缠态粒子的关联函数平均值是cosθ。因此在、90°、180°时的相关函数值是1,1,或者为0。而这些情况下,量子论和经典论没有差别。图2中的红、蓝两条曲线所示经典理论和量子论预言的相关函数之差别很小,并且是在两个观测方向的夹角在和90°之间的那些角度。贝尔定理的实验验证,就是要测量出蓝色虚线相对于红色实线数值之差。 

图2


    所谓'原子级联’跃迁产生纠缠光子对的方法:如图1所示,一个钙原子中的电子被紫外线袭击,有可能被激励到高出2个能级的状态。当能量回落时,就有可能连续下降两个能级而辐射出两个纠缠的光子(钙原子辐射出波长分别为551nm的绿光光子和423nm的蓝光光子)。图1只画出了一个钙原子、一个紫外线光子,激发一个电子产生一对纠缠光子,这显然不是实验中的真实情况。实际上,一束紫外线打到一堆钙原子上,辐射出来的也是两束光,相当有很多对纠缠光子。在测量相关函数时,需要对多个光子运用统计方法进行计算。
​   
克劳瑟发现,要证明贝尔不等式,釆用柏克莱大学科协尔和康明斯的实验数据还不足够,但是他们的方法却是非常可取的。于是,克劳瑟立刻写信给他的祖师爷汤斯,申请柏克莱大学博士后的工作。他如愿以偿,汤斯接受他做博士后,进行有关射电天文学的观测研究。汤斯毕竟是得过诺贝尔奖的大师级人物,眼光不凡,远见卓识。他同意克劳瑟在做射电天文的同时,分出一半时间来做验证贝尔不等式的量子力学实验。克劳瑟到达柏克莱时,科协尔已经离开,康明斯还在那儿。但康明斯对验证贝尔不等式之事不感兴趣。最后还是由汤斯出面,提议康明斯让一个研究生帮助克劳瑟工作。这样,克劳瑟才和Freedman一起,开始了他的实验。如此一来,原来四人小组CHSH开始分道扬镳了:克劳瑟和Freedman在美国加州柏克莱大学实验室,背后有西摩尼和霍恩的支持。哈佛的霍尔特则从'四人小组’中脱身出来,继续在波士顿的哈佛进行自己的实验。这样一来,原来合作的四个伙伴分别在美国东、西两岸拉起队伍,暗暗地展开了竞争。
​   
克劳瑟热情洋溢、活泼外向,与贝尔一样更相信爱因斯坦的隐变量解释,非常希望实验的结果能有助于找出量子论中的隐变量。他还与朋友打赌隐变量理论能赢,量子力学要输。霍恩认为量子力学会赢,因为他觉得这个古怪的量子力学总是赢!老练的西摩尼则不表态,说只能让实验结果说的话才算数。在哈佛大学单枪匹马战斗的霍尔特则认同哈佛当时大多数物理学家相信的正统观点,希望自己的实验结果能成为量子力学完备性强有力的证明。
​   
1972年,克劳瑟和Freedman发表了他们用两百多个小时完成的实验报告。之所以如此费时,是因为在当时的实验条件下,得到纠缠态粒子对非常困难,可谓是百万里挑一的几率(100万对光子中,只有一对能够被成功地观测到),才是对结果起作用的纠缠光子对。这毛病不但拖长实验时间,也影响实验的精度,因而被后来的实验者称之为“侦测漏洞”,可以用来有针对性提出质疑并加以改进。
​   
有趣的是,两个实验结果都与期待相反。克劳瑟希望量子力学输,实验结果却大大地违背贝尔不等式,以5倍于误差范围的偏离,强有力地证明了量子力学的正确性。霍尔特也得出了实验结果,但他保持沉默不作声,迟迟没有发布他的结果。霍尔特的结果与期待不一样,没有违背CHSH-Bell不等式,好像是支持隐变量理论。当然,霍尔特犹豫不言的主要原因是实验结果似乎非常勉强。CHSH-Bell不等式要求两地所测的四个关联函数之和≤2,而他的结果小于2且又很靠近2。霍尔特相信实验中一定有什么地方影响了观测结果,实验也是使用原子级联的方法来产生纠缠光子,但不是用钙原子,而是使用汞。后来有人找出了他实验中的问题,重新用汞做了这个实验,仍然得到了支持量子论的结果。
​   
之后,接连又有好几个实验小组,包括吴健雄的实验室,都进行了检验贝尔不等式的实验,结果全都证明了量子力学的正确性。不过,大家公认的对量子力学非定域性的最后实验判定,却是到了80年代初由法国物理学家阿斯派克特作出的。

本站仅提供存储服务,所有内容均由用户发布,如发现有害或侵权内容,请点击举报
打开APP,阅读全文并永久保存 查看更多类似文章
猜你喜欢
类似文章
【热】打开小程序,算一算2024你的财运
走近量子纠缠-10-实验证实
三位诺奖得主,将物理学推向极限,证明了宇宙比我们想象的更奇特
量子力学:量子纠缠与阿斯派克特实验,彻底颠覆世界的客观实在性
2022年诺贝尔物理学奖由三位科学家分享,他们的开创性实验为量子信息新技术扫清障碍
他们为第二次量子革命打下基础 | 深度解读2022年物理学诺奖
贝尔不等式的违反是如何确立的?
更多类似文章 >>
生活服务
热点新闻
分享 收藏 导长图 关注 下载文章
绑定账号成功
后续可登录账号畅享VIP特权!
如果VIP功能使用有故障,
可点击这里联系客服!

联系客服