科学家首次揭开量子纠缠的神秘面纱（附原文）

 诸平

据英国格拉斯哥大学（University of Glasgow）2019年7月13日（当地时间）提供的消息，该大学物理与天文学学院的研究人员，首次揭开了量子纠缠的神秘面纱——Paul-Antoine Moreau, Ermes Toninelli, Thomas Gregory, Reuben S. Aspden, Peter A. Morris,Miles J. Padgett. Imaging Bell-type nonlocal behavior. Science Advances, 2019, 5(7): eaaw2563. DOI: 10.1126/sciadv.aaw2563.

下面图1是全帧图像记录了违反贝尔不等式的四幅图像。

Fig. 2 Full-frame images recording the violation of a Bell inequality in four images.

(A) The four coincidence counting images are presented, which correspond to images of the phase circle acquired with the four phase filters with different orientations, θ₂ = {0°, 45°, 90°, 135°}, necessary to perform the Bell test. Scale bars, 1 mm (in the plane of the object). (B to E) The coincidence counts graphs as a function of the orientation angle θ₁ of the phase step along the object are presented. As shown, these results are obtained by unfolding the ROIs represented as red rings and are extracted from the images presented in (A). The blue dots in the graphs are the coincidence counts per angular region within the ROIs, and the red curves correspond to the best fits of the experimental data by a cosine-squared function. (B) to (E) correspond to phase filter orientations θ₂ of 0°, 45°, 90°, and 135°, respectively.

在量子力学里，当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，则称这现象为量子缠结或量子纠缠（quantum entanglement）。量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象；在经典力学里，找不到类似的现象。1935年，在普林斯顿高等研究院，爱因斯坦、博士后罗森、研究员波多尔斯基合作完成论文《物理实在的量子力学描述能否被认为是完备的？》，并且将这篇论文发表于5月份的《物理评论》(Phys. Rev.)。这是最早探讨量子力学理论对于强关联系统所做的反直觉预测的一篇论文。在这篇论文里，他们详细表述EPR佯谬，试图借着一个思想实验来论述量子力学的不完备性质。但是，他们并没有更进一步研究量子纠缠的特性。 

薛定谔阅读完毕EPR论文之后，有很多心得感想，他用德文写了一封信给爱因斯坦，在这封信里，他最先使用了术语Verschränkung（他自己将之翻译为“纠缠”），这是为了要形容在EPR思想实验里，两个暂时耦合的粒子，不再耦合之后彼此之间仍旧维持的关联。不久之后，薛定谔发表了一篇重要论文，对于“量子纠缠”这术语给予定义，并且研究探索相关概念。薛定谔体会到这概念的重要性，他表明，量子纠缠不只是量子力学的某个很有意思的性质，而是量子力学的特征性质；量子纠缠在量子力学与经典思路之间做了一个完全切割。如同爱因斯坦一样，薛定谔对于量子纠缠的概念并不满意，因为量子纠缠似乎违反在相对论中对于信息传递所设定的速度极限。后来，爱因斯坦更讥讽量子纠缠为鬼魅般的超距作用（spooky action at a distance）。

EPR论文很显然地引起了众多物理学者的兴趣，启发他们探讨量子力学的基础理论。但是除了这方面以外，物理学者认为这论题与现代量子力学并没有什么牵扯，在之后很长一段时间，物理学术界并没有特别重视这论题，也没有发现EPR论文可能有什么重大瑕疵。EPR论文试图建立定域性隐变量理论来替代量子力学理论。1964年，约翰·贝尔提出论文表明，对于EPR思想实验，量子力学的预测明显地不同于定域性隐变量理论。概略而言，假若测量两个粒子分别沿着不同轴向的自旋，则量子力学得到的统计关联性结果比定域性隐变量理论要强很多，贝尔不等式定性地给出这差别，做实验应该可以侦测出这差别。因此，物理学者做了很多检试贝尔不等式的实验。

1972年，约翰·克劳泽与史达特·弗利曼（Stuart Freedman）首先完成这种检试实验。1982年，阿兰·阿斯佩的博士论文是以这种检试实验为题目。他们得到的实验结果符合量子力学的预测，不符合定域性隐变量理论的预测，因此证实定域性隐变量理论不成立。但是，每一个相关实验都存在有漏洞，这造成了实验的正确性遭到质疑，在作总结之前，还需要完成更多精确的实验。

这些年来，众多研究结果促成了应用这些超强关联来传递信息的可能性，从而导致了量子密码学的成功发展，最著名的有查理斯·贝内特（Charles Bennett）与吉勒·布拉萨（Gilles Brassard）发明的BB84协议、阿图尔·艾克特（Artur Eckert）发明的E91协议。

2017年6月16日，量子科学实验卫星墨子号首先成功实现，两个量子纠缠光子被分发到相距超过1200km的距离后，仍可继续保持其量子纠缠的状态。

2018年4月25日，芬兰阿尔托大学教授麦卡﹒习岚帕（Mika Sillanpää）领导的实验团队成功地量子纠缠了两个独自震动的鼓膜。每个鼓膜的宽度只有15 µm，约为头发的宽度，是由10个金属铝原子制成。通过超导微波电路，在接近绝对温度（-273.15 ℃）下，两个鼓膜持续进行了约30 min的互动。这实验演示出宏观的量子纠缠。

前不久英国格拉斯哥大学（University of Glasgow）的物理学家们第一次成功地拍下了一种被称为钟形纠缠的强量子纠缠形式的照片——捕捉到了一种难以捉摸的现象的视觉证据，相关研究结果于2019年 7月12日，在《科学进展》（Science Advances）发表。

两个相互作用的粒子——例如两个光子通过光分束器——有时可以保持连接，无论它们之间的距离有多远，它们都可以瞬间共享它们的物理状态。这种联系被称为量子纠缠（quantum entanglement），它支撑着量子力学领域。

爱因斯坦认为量子力学是“可怕的”，因为两个纠缠的粒子之间明显的远距离相互作用的即时性，似乎与他的狭义相对论的基础不相容。

后来，约翰•贝尔爵士(Sir John Bell)正式提出了这种非本地交互的概念，描述了一种表现出这种诡异的强烈纠缠形式。今天，虽然钟形纠缠在量子计算和密码学等实际应用中得到了利用，但它从来没有在一张图像中被捕获过。而发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的一篇论文中，格拉斯哥大学(University of Glasgow)的一组物理学家描述了他们如何让爱因斯坦的鬼魅第一次出现在图像中。

Fig. 2 Imaging setup to perform a Bell inequality test in images.

A BBO crystal pumped by an ultraviolet laser is used as a source of entangled photon pairs. The two photons are separated on a beam splitter (BS). An intensified camera triggered by a SPAD is used to acquire ghost images of a phase object placed on the path of the first photon and nonlocally filtered by four different spatial filters that can be displayed on an SLM (SLM 2) placed in the other arm. By being triggered by the SPAD, the camera acquires coincidence images that can be used to perform a Bell test.

他们设计了一个系统（Fig.2），从量子光源向“非常规物体”发射纠缠光子流，这些“非常规物体”显示在液晶材料上，当光子通过时，液晶材料会改变光子的相位。他们设置了一个超灵敏的摄像头，能够检测单个光子，只有当它同时看到一个光子和它纠缠的“孪生”时才会拍照，从而创建了一个光子纠缠的可见记录。

格拉斯哥大学物理与天文学院的Paul-Antoine Moreau博士是这篇论文的第一作者。Paul-Antoine Moreau博士说:“我们成功捕捉到的这张照片，优雅地展示了自然的一个基本属性，这是第一次以图像的形式出现。这是一个令人兴奋的结果，可以用来推进量子计算的新兴领域，并导致新型成像。”更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

The violation of a Bell inequality not only attests to the nonclassical nature of a system but also holds a very unique status within the quantum world. The amount by which the inequality is violated often provides a good benchmark on how a quantum protocol will perform. Acquiring images of such a fundamental quantum effect is a demonstration that images can capture and exploit the essence of the quantum world. Here, we report an experiment demonstrating the violation of a Bell inequality within observed images. It is based on acquiring full-field coincidence images of a phase object probed by photons from an entangled pair source. The image exhibits a violation of a Bell inequality with S = 2.44 ± 0.04. This result both opens the way to new quantum imaging schemes based on the violation of a Bell inequality and suggests promise for quantum information schemes based on spatial variables.

eaaw2563.full.pdf