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物理学家告诉你走近量子纠缠(11):阿斯派克特的实验
(科学网张天蓉博客,收藏有删减)

         走近量子纠缠(11)阿斯派克特的实验  
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阿斯派克特1947年出生,从小就立志要成为一名科学家,后来果然成为著名的实验物理学家,为实验验证量子力学的基础理论作出了重要贡献。
​    上世纪80年代初,阿斯派克特到巴黎攻读物理博士学位,巴黎大学走出的众多世界一流的科学家(笛卡尔、帕斯卡、拉瓦锡、柯西、居里夫妇及女儿女婿等)吸引着他。在之前的业余时间里,阿斯派克特反复阅读了有关量子力学基础理论的书籍和论文,特别感兴趣有关EPR佯谬及用贝尔不等式来检验量子力学非定域性的课题,这也是他进入巴黎大学攻读博士的初衷。
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阿斯派克特

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阿斯派克特知道,检验贝尔不等式的第一个实验是1972年由Clauser和Freedman在加州大学伯克利分校完成的,但实验存在一些被人诟病的漏洞,其结果不具有说服力。因此,阿斯派克特设计了一个系列实验,决定首先重复、然后改进克劳瑟等人的工作。阿斯派克特所在的巴黎离贝尔工作的欧洲核子中心不太远,可以经常开车到CERN去找贝尔讨论问题。当贝尔第一次见到他,得知他只是一个刚开始做物理研究工作的学生时,吃惊地表示:“你一定是一个非常大胆的学生。”
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科学研究的确需要勇气和胆量,伟大的成就只钟情于勇敢的开拓者,不会眷顾那些跟在他人后面摇旗呐喊的庸碌之辈。对科学创新来说,勇气、眼光和创造力、想象力一样,太重要了。
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阿斯派克特计划作三个实验:
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第一个实验,基本构思和克劳瑟等人的一样,但需要结合采用激光器,因为实验室里的纠缠态大多数是用光来实现的,而使用偏振片可以测定和转换光的偏振方向(下图所示)。
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阿斯派克特用激光来激发钙原子,引起级联辐射,产生一对往相反方向“圆偏振”的纠缠光子。图中所示的是线偏振光的情形,而圆偏振光可看作是两个线偏振光的叠加。圆偏振光有两个不同的旋转方向,这可类比于电子的自旋。因此,对自旋纠缠电子对的讨论可以用在极化的纠缠光子对上。
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克劳瑟10年前的实验中没有使用激光,这是他的最大遗憾,因为当年克劳瑟的身边就站着激光的发明人汤斯,却不知道为什么他没有使用这个威力强大的武器。阿斯派克特使用两个激光源激励钙原子产生光量子纠缠对,实验得到的量子力学对贝尔不等式的偏离,达到了9倍的误差范围,相对于克劳瑟的5倍误差范围。
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第二个实验,利用双通道的方法,来提高光子的利用率,减少前人实验中的所谓“侦测漏洞”。这个实验也大获成功,最后以40倍于误差范围的偏离违背贝尔不等式,再一次证明了量子力学的正确。 

贝尔不等式实验验证示意图
 

    
第三个实验,采取了延迟决定偏光镜方向的方法。用实验验证贝尔不等式,其根本目的之一就是要验证量子力学到底是定域的,还是非定域。非定域性的意思是说,如果测量纠缠光子对中一个光子的偏振,将会影响到它的孪生兄弟——另一个光子的偏振方向。这种影响的发生,不允许两个光子之间存在任何沟通。换句话说,贝尔不等式体现了定域条件对两个光子的关联协作程度的限制。或者说,对它们的逻辑能力的限制。在实验中需要做到“保证两个纠缠光子间没有交换信号的可能性”。实验中采取延迟决定偏光镜方向的方法就是为了保证这点,这相当是在克劳瑟等人实验的基础上,再加一道闸门,以保证排除纠缠光子间交换信号的可能性。
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“延迟决定”来自于约翰·贝尔的建议:如果你预先就将实验安排好了,两个偏振片的角度也调好等在那儿,然后用激光器激发出纠缠光子对,飞向两边早就设定了方向的检偏镜,两个光子分别在两边被检测到,这过程中光子不就有足够时间互通消息?即使我们不知道它们是采取何种方法传递消息,但总存在作弊的可能性。
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阿斯派克特在实验中不预先设定两个检偏镜的角度,而是将这个决定延迟到两个光子已经从纠缠源飞出,快要最后到达检偏镜的那一刻。这种想法还得有实验室中的可行性。他的两个检偏镜距离纠缠源分别大约6.5米左右,当两个光子快到检偏镜的那一刻,它们之间的距离大约是13米。最快的信息传递速度是光速,光也需要40ns(ns是纳秒,1ns=10万万分之一秒)走完13米的路程。因此,阿斯派克特发明了一种基于声光效应的设备,能使检偏镜在每10ns的时间内旋转一次。这样,两个纠缠光子就不可能有足够时间来互相通知对方了。换言之,光子对来不及互相传递信息——碰到检偏镜时是某方向。阿斯派克特的第三个实验原理如图所示。 

扫描自:阿斯派克特1982年文章中用以验证CHSH-贝尔不等式的原图

中间的S是纠缠光源,I(a)II(b)等,是10ns旋转一次方向的检偏镜。

四条通道的测量数据汇总到下方的'符合检测设备’进行处理。

 

    阿斯派克特的三个实验大获成功,被作为是量子力学非定域性的最后判定。后来的实验,更为彻底地排除了定域性的漏洞。量子力学是非定域的,已是物理界基本上公认的结论。至于这结论背后是不是真的隐藏着超光速,人们仍然不能确定,不能利用它实际地传送信息,因而与爱因斯坦的狭义相对论并矛盾。德布罗意“物质波”的相速度c2/v比光速要快,但只要不携带能量和信息,它就不违背相对论。所以,量子力学非定域性的认可,并不等于相对论被推翻相对论和量子论仍然是我们所能依赖的可靠理论基石。也许正因为有关“定域”、“隐变量”争论的尘埃未定,有关量子纠缠研究及应用方面至今未出诺贝尔奖得主。1990年,贝尔62岁时因脑出血而意外死亡,遗憾的是,贝尔并不知道那年他被提名为诺贝尔奖。
​    2011年,阿斯派克特、克劳瑟和塞林格被提名诺贝尔物理学奖,虽然最后此奖落到了另外三位从事宇宙膨胀理论研究的物理学家头上,但这三位实验物理学家对量子力学理论和实验方面的贡献已经得到了学术界的公认,他们用一系列越来越精妙的实验,验证了贝尔不等式,推动了量子纠缠态在通讯及计算机应用方面的研究。

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