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走近量子纠缠-11-阿斯派克特的实验

已有 22290 次阅读 2012-2-27 09:08 |系统分类:科普集锦

阿斯派克特1947年出生于法国西南部加龙河畔的阿让（Agen），那是一个以葡萄红酒美食佳肴为文化特色的美丽浪漫的小村庄。阿斯派克特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，阿斯派克特前往非洲作了三年自愿者之后，来到了巴黎，攻读他的物理博士学位。他不是冲着巴黎的灯红酒绿繁华夜市而来的。那时的法国，不仅仅是风花雪月的浪漫之都，也是人才荟萃的重要的世界物理研究中心。从首屈一指的巴黎大学，走出了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……这一大串闪亮的名单，吸引着阿斯派克特。

在非洲喀麦隆作三年社会工作的业余时间里，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，这也是他从非洲返回祖国，进入巴黎大学攻读博士的初衷。

阿斯派克特，照片来自网络

http://en.wikipedia.org/wiki/Alain_Aspect

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，因而结果不那么具有说服力。因此，阿斯派克特设计了一个系列实验，决定首先重复并然后改进克劳瑟等人的工作。其次，阿斯派克特还有他的优越性，那就是他所在的巴黎离约翰·贝尔工作的欧洲核子中心不算太远，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Ph.D学生时，吃惊地表示：“你一定是一个非常大胆的学生！”。

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。

阿斯派克特努力勤奋地开始工作，用心制造和改进所需要的每一件设备。他计划作三个实验，第一个实验，基本构思和前面克劳瑟等人的一样，但结合了Fry 和Thompson在1976实验中采用激光器作为激励光源的方法。阿斯派克特深知纠缠光源对他的实验的重要性。读者可能还记得，在第7节中解释贝尔不等式时，我们在图中画的是电子的自旋矢量。然而，实验室里的纠缠态却大多数是用光来实现的。光，是我们日常生活中最常见的，也是物理实验室里最常用的东西。类似于电子的自旋，光可以有不同的偏振方向。光的偏振（或称‘极化’）的概念，在我们使用太阳眼镜时会有所体会。偏振式太阳眼镜就是利用光的偏振特性而制成的。用简单的一句话来说，太阳眼镜只让在某一个特定方向振动的光线通过，这样，在正对太阳开车时，就大大地减少了耀眼的光线，使司机不至于太受强光的干扰，而仍然能够看清目标。实验室中，使用偏振片来测定和转换光的偏振方向，其工作原理与太阳眼镜类似（如下图所示）。

再回到实验室中，光的偏振和电子自旋类似这个话题。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‘园偏振’的纠缠光子。在上面图中所示的是线偏振光的情形，而园偏振光可看作是两个线偏振光的叠加。园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，之前对自旋纠缠电子对的讨论都可以用在极化的纠缠光子对上。

克劳瑟十年前的实验中没有使用激光，这说起来可能是他的最大遗憾。当年克劳瑟的身边，就站着激光的发明人汤斯。可不知道为什么，他在实验中却没有使用这个威力强大的武器。也许是因为当时的激光不容易使用？也许是当时还没有波长合适激励钙原子的激光源？也许是克劳瑟急于求成？无论如何，历史巨人毕竟已经迈过了十年的步伐，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，他的这个实验结果，得到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，改进了好几个等级。

阿斯派克特的第二个实验，是利用双通道的方法，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，再一次强有力地证明了量子力学的正确！

阿斯派克特的最大贡献是在第三个实验中，采取了延迟决定偏光镜方向的方法。

贝尔不等式实验验证示意图

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，还是非定域的？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的任何沟通。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，对他们的逻辑能力的限制。不是吗？在现实社会中，如果有一对双胞胎出生后从未见过面的话，即使他们的基因完全一样，但因为他们是作为两个不同的个体而存在，他们有完全不同的人生经验。如果在远离的两地，对他们进行各方面的考试测验的话，他们应该是表现得不那么紧密相关的。

重要的是，这两个双胞胎不能暗地里互通消息，也不能有出题目的人参与其中共同作弊。否则的话，上面的结论就不能成立了，他们之间被测量出来的关联程度会大大增加，给人以他们能瞬时间传递心灵感应的假象。在实验中也得做到这一点：要保证两个纠缠光子间没有交换信号的可能性。阿斯派克特在第三个实验中，采取延迟决定偏光镜方向的方法，就是为了保证这点。或者说，他在克劳瑟等人实验的基础上，再多加了一道闸门，完全排除了纠缠光子间交换信号的可能性。

这建议是来自于约翰·贝尔。他说，如果你预先就将实验安排好了，两个偏振片的角度调好了等在那儿，然后，你从容不迫慢吞吞地开始实验：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……。在这整个过程中，光子不是完全有足够的时间互通消息吗？即使我们不知道它们是采取何种方法传递消息的，但总存在作弊的可能性吧。

要如何才能断绝两个双胞胎考试作弊的可能性呢？起码，我们能想出的办法就是‘延迟’出题的时间，最好是等两个双胞胎已经分别坐到了两地的考场上，你再将即时随机而出的两套题目分给两个考官。这样一来，双胞胎就没法互通消息了，即使是最快的电话、电邮也都来不及了。阿斯派克特在实验中采取的也是这种类似方法，他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。

当然，阿斯派克特的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。因此，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=10万万分之一秒）的时间来走完13米的路程。因此，阿斯派克特发明出了一种基于声光效应的设备，能使得检偏镜在每10ns的时间内旋转一次。这样，两个纠缠光子就不可能有足够的时间来互相通知对方了。换言之，它们来不及互相了解情况并告知对方：我碰到的检偏镜是某某方向的，因此，你也做好准备将偏振调节到某某方向……，它们即使想作弊也来不及了！阿斯派克特的第三个实验原理如下图所示：

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决。后来，1998年，下一节我们将要谈到的，又有Zeilinger及其同事在奥地利因斯布鲁克大学完成的实验，更为彻底地排除了定域性的漏洞。

量子力学是非定域的，这在物理界基本上是公认的结论。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，尽管它表面上看起来似乎是一种类似的效应，但我们并不能利用它实际地传送信息，因此，这和爱因斯坦的狭义相对论并无矛盾。当初，德布罗意那“物质波”的相速度c^2/v就比光速要快，但只要不携带能量和信息，它就不违背相对论。量子力学非定域性的认可，并不等于相对论被推翻，相反，相对论和量子论两者至今仍然是我们所能依赖的最可靠的理论基石。

也许正因为有关‘定域’、‘隐变量’等等争论的尘埃未定，有关量子纠缠研究及应用方面至今未出诺贝尔奖得主。贝尔于1990年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。

阿斯派克特和克劳瑟，还有下一节要谈到的塞林格（Anton Zeilinger）三位实验物理学家，曾被提名 2011年的诺贝尔物理学奖。虽然最后，此奖项的殊荣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，因而扩展了量子纠缠态在通讯及计算机应用方面的研究。因为这些贡献，他们三人被授予了2010年的沃尔夫物理奖。