光子研究新发现挑战量子论

诸平

据东安格利亚大学（University of East Anglia，UEA）2017年3月29日提供的消息，东安格利亚大学（UEA）的科学家已经发现了一种涉及关联光子对的产生的新机制,这可以对量子物理学的研究产生重大影响。此项研究成果于2017年3月9日在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志网站发表——Kayn A. Forbes, Jack S. Ford, David L. Andrews. Nonlocalized generation of correlated photon pairs in degenerate down-conversion. Physical Review Letters, 2017, Accepted: 9 March 2017.

Credit: CC0 Public Domain

东安格利亚大学（UEA）的研究人员表明,当光的基本粒子光子（photons）被成双成对产生时,它们可以在不同位置出现而不是出现在相同的位置。此开创性的研究可能对于现代物理学的理论基础即量子物理学（quantum physics）有重大影响。迄今为止,一般假设就是像这样的光子对必然是源自太空的单点。

所谓量子纠缠（Quantum entanglement）就是当粒子联系如此密切时,以至于影响一个粒子也必然会直接影响到另一个。量子纠缠被广泛用于由量子密码学（quantum cryptography）到量子隐形传态（quantum teleportation）的许多过程。量子纠缠是粒子在由2个或2个以上粒子组成系统中相互影响的现象，虽然粒子在空间上可能分开。纠缠是关于量子力学理论最著名的预测。它描述了2个粒子互相纠缠，即使相距遥远距离，一个粒子的行为将会影响另一个的状态。当其中一个被操作（例如量子测量）而状态发生变化，另一个也会即刻发生相应的状态变化。爱因斯坦将量子纠缠称为“鬼魅似的远距作用”（spooky action at a distance）。但这并不仅仅是个诡异的预测，而是已经在实验中获得的现象，比如科学家通过向2个处于室温的纠缠的小钻石发射激光。科学家希望能够建造量子计算机，利用粒子纠缠进行超高速计算^[4]。

东安格利亚大学团队正在研究被称为自发参量下转换(spontaneous parametric down-conversion，SPDC)的过程,在此过程中光子束通过晶体生成纠缠双光子——晶体空间的性质使然。

东安格利亚大学化学学院的大卫·安德鲁斯教授（Prof David Andrews）说:“当自发纠缠光子对平分输入能量时,被称为退化下转换（degenerate down-conversion, DDC）。直到现在,一直以为这样的双光子来自相同的位置。现在,一种新的非定域化机制识别显示，每一个光子对都可以从空间上分离点发出,引入一种新的基本量子起源位置上的不确定性。”

量子纠缠说明在2个或2个以上的稳定粒子间，会有强的量子关联。例如在双光子纠缠态中，向左（或向右）运动的光子既非左旋，也非右旋，既无所谓的x偏振，也无所谓的y偏振，实际上无论自旋或其投影，在测量之前并不存在。在未测之时，二粒子态本来是不可分割的。每一对双光子量子态纠缠在量子计算中具有重要的应用价值,量子计算的理论计算系统可以不可思议的速度处理大数据的问题,以及应用于量子物理学的其他领域。东安格利亚大学的发现意义重大,因为它们对空间分辨率的限制。大卫·安德鲁斯教授说:“事事都有一定的量子“模糊性”,而且光子并非是普通成像的光线那样，就是一个一个坚硬的小子弹。”

量子力学是非定域的理论，这一点已经被违背贝尔不等式的实验结果所证实，因此，量子力学展现出许多反直观的效应。量子力学中不能表示成直积形式的态称为纠缠态。而纠缠态之间的关联不能被经典地解释。所谓量子纠缠是指2个或者多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联。量子纠缠涉及实在性、定域性、隐变量以及测量理论等量子力学的基本问题，并在量子计算和量子通信的研究中起着重要作用。纠缠态对于理解量子力学的基本概念具有重要意义，近年来已经在一些前沿领域中得到应用，特别是在量子信息方面，如量子远程通信等。

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ABSTRACT