约翰·克劳瑟及首次量子纠缠实验证明背后的故事

诸平

Fig. 1 Scientists, including Albert Einstein and Erwin Schrödinger, first discovered the phenomenon of entanglement in the 1930s. In 1972, John Clauser and Stuart Freedman were the first to prove experimentally that two widely separated particles can be entangled.

Fig. 2 John Clauser standing with his second quantum entanglement experiment at UC Berkeley in 1976. Credit: University of California Graphic Arts / Lawrence Berkeley Laboratory

Fig. 3 John Clauser at a yacht club. Clauser enjoys sailboat racing in his spare time. Credit: John Dukat

据美国加州理工学院（California Institute Of Technology简称Caltech） 2022年10月9日报道，量子纠缠是真实的第一个实验证明(First Experimental Proof That Quantum Entanglement Is Real)。包括阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）和欧文·薛定谔（Erwin Schrödinger）在内的科学家在20世纪30年代首次发现了纠缠现象。1972年，约翰·克劳瑟（John Clauser） 和斯图尔特·弗里德曼（Stuart Freedman）率先通过实验证明两个相距很远的粒子可以纠缠在一起（Fig. 1）。约翰·克劳瑟（John Clauser）和阿兰·阿普西（Alain Aspect）以及安东·泽林格（Anton Zeilinger ）3人获得了2022年诺贝尔物理学奖（The Nobel Prize in Physics 2022）。加州理工学院（Caltech）对其校友约翰·克劳瑟，就他的第一个量子纠缠实验证明及相关问题进行了采访，《科技日报》（SciTechDaily）网站2022年10月9日报道了相关内容，现编译如下，仅供参考。

1. 背景知识

当包括阿尔伯特·爱因斯坦和欧文·薛定谔在内的科学家在20世纪30年代首次发现纠缠现象时，他们感到很困惑。令人不安的是，纠缠需要两个分离的粒子保持联系而不直接接触。事实上，阿尔伯特·爱因斯坦把纠缠称为“幽灵般的超距离作用（spooky action at a distance）”，因为粒子的交流速度似乎比光速还快。

为了解释纠缠的奇异含义，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）与鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和内森·罗斯（Nathan Rosen，3人姓首字母为EPR) 一起认为应该将“隐藏变量（hidden variables）”添加到量子力学中。这些可以用来解释纠缠，并恢复粒子行为的“局部性（locality）”和“因果性（causality）”。局部性声明对象仅受其周围环境的影响。因果关系指出，结果不能在其原因之前出现，并且因果信号的传播速度不能超过光速。尼尔斯·玻尔（Niels Bohr） 对EPR的论点提出了著名的争议，而欧文·薛定谔和温德尔·弗里（Wendell Furry）在回应EPR时独立假设纠缠会随着宽粒子分离（wide-particle separation）而消失。

不幸的是，当时没有任何实验证据支持或反对广泛分离的粒子的量子纠缠。此后的实验证明，纠缠是非常真实的，也是自然界的基础。此外，量子力学现在已被证明是可以工作的，不仅在非常短的距离上，而且在非常远的距离上。事实上，中国的量子加密通信卫星墨子号（Micius），是空间尺度量子实验 (Quantum Experiments at Space Scale简称QUESS) 研究项目的一部分，它依赖于相隔数千公里的光子之间的量子纠缠。

约翰·弗朗西斯·克劳瑟（John Francis Clauser）出生于1942年12月1日，是一位美国理论和实验物理学家，以对量子力学基础的贡献而闻名，特别是克劳塞-霍恩-西蒙尼-霍尔特不等式（Clauser–Horne–Shimony–Holt inequality）。约翰·克劳瑟（John Clauser）和阿兰·阿普西（Alain Aspect）以及安东·泽林格（Anton Zeilinger ）共同获得了 2022 年诺贝尔物理学奖，以表彰其“对纠缠光子进行的实验，建立了贝尔不等式（Bell inequalities）的违逆性和开创了量子信息科学”。

图2（Fig. 2）是1976 年，约翰·克劳瑟在加州大学伯克利分校进行他的第二次量子纠缠实验的照片。这些实验中的第一个是由Caltech校友约翰·克劳瑟(64届理学学士，BS '64) 分别于1969年和1972年提出并执行的。他的发现基于由CERN理论家约翰·贝尔（John Bell）设计的贝尔定理（Bell’s theorem）。1964年，约翰·贝尔讽刺地证明EPR的论点实际上导致了与EPR最初打算表明的相反的结论。约翰·贝尔证明了量子纠缠实际上与EPR的局部性和因果性概念不相容。

1969年，约翰·克劳瑟还在哥伦比亚大学（Columbia University）读研究生时，与迈克尔·霍恩（Michael Horne）、阿布纳·西蒙尼（Abner Shimony）和理查德·霍尔特（Richard Holt）一起，将约翰·贝尔1964年的数学定理通过现在称为克劳瑟-霍恩-西蒙尼-霍尔特（Clauser–Horne–Shimony–Holt简称CHSH)不等式（CHSH inequality）转化为一个非常具体的实验预测。克劳瑟-霍恩-西蒙尼-霍尔特等式（CHSH inequality）的论文（Their paper）在Google Scholar上被引用超过8500次。1972年，当约翰·克劳瑟在加州大学伯克利分校（University of California Berkeley）和美国劳伦斯·伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）做博士后研究员时，约翰·克劳瑟和研究生斯图尔特·弗里德曼是第一个实验证明两个相距很远的粒子（相距约10英尺）可以纠缠在一起。

约翰·克劳瑟继续进行了三个实验，以测试量子力学和纠缠的基础，每个新实验都证实并扩展了他的结果。斯图尔特·弗里德曼-约翰·克劳瑟实验（Freedman–Clauser experiment）是 CHSH不等式的第一个检验。它（CHSH不等式）现在已经在世界各地的实验室进行了数百次实验测试，以确认量子纠缠是真实的。

约翰·克劳瑟的工作为他赢得了2010年沃尔夫物理学奖（2010 Wolf Prize in physics），以及2022年的诺贝尔物理学奖，获奖原因是“使用纠缠量子态对贝尔不等式或其扩展进行了越来越复杂的测试。”

约翰·克劳瑟在业余时间喜欢帆船比赛，图3（Fig. 3）就是约翰·克劳瑟在游艇俱乐部的照片。

2. 历史实验问题

下面是约翰·克劳瑟对其有关历史实验问题的回答。

我们听说你测试纠缠原理的想法对其他物理学家没有吸引力。你能告诉我们更多吗？

约翰·克劳瑟：在20世纪60年代和70年代，量子力学的实验测试在加州理工学院、哥伦比亚大学、加州大学伯克利分校和其他地方并不受欢迎。我在哥伦比亚大学的教员告诉我，测试量子物理学会毁掉我的职业生涯。当我在加州大学伯克利分校进行1972年弗里德曼-克劳瑟实验（Freedman–Clauser experiment）时，加州理工学院的理查德·费曼（Caltech’s Richard Feynman）对我无礼的努力感到非常生气，并告诉我这无异于自称不相信量子物理学。他傲慢地坚持，量子力学显然是正确的，不需要进一步的检验！我在加州大学伯克利分校的接待充其量是不冷不热的，只有通过查理·汤斯教授（Professor Charles Hard Townes）[1939年获博士学位，1964年诺贝尔物理奖获得者（The Nobel Prize in Physics 1964）]和霍华德·舒加特（Howard Shugart）[BS '53] 教授的善意和宽容才有可能，他们让我在那里继续我的实验。

在我与约翰·贝尔（John Bell）的通信中，他表达了完全相反的观点，并强烈鼓励我做一个实验。约翰·贝尔1964年关于贝尔定理（Bell’s theorem）的开创性工作，最初发表在一本不起眼的期刊《物理学》（Physics）的终期和一份地下物理学报纸《认识论快报》（Epistemological Letters）上。直到1969年CHSH论文和1972年弗里德曼-克劳瑟的结果发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）之后，约翰·贝尔才终于公开讨论了他的工作。他知道质疑量子力学基础的禁忌，从未与他的CERN同事讨论过。

到底是什么让你想要进行这些实验？

约翰·克劳瑟：我想测试这些想法的部分原因是我仍在努力理解它们。我发现对纠缠的预测非常奇怪，以至于如果没有看到实验证明，我无法接受它们。我也认识到实验的根本重要性，完全忽略了我的教师的职业建议。此外，我在做一些非常具有挑战性的实验物理时玩得很开心，这些设备主要是用物理系的废品制造的。在我和斯图尔特·弗里德曼做第一个实验之前，我个人也认为阿尔伯特·爱因斯坦的隐变量物理可能真的是对的，如果是，那我就想去发现它。我发现阿尔伯特·爱因斯坦的想法很清楚，而尼尔斯·玻尔的说法相当混乱且难以理解。

当你做实验时，你期望发现什么？

约翰·克劳瑟：事实上，我真的不知道会发生什么，除了我最终会确定谁是对的——是尼尔斯·玻尔还是阿尔伯特·爱因斯坦。诚然，我赌的是阿尔伯特·爱因斯坦，但实际上并不知道谁会赢。这就像去赛马场一样。你可能希望某匹马会赢，但直到结果出来你才真正知道。在这种情况下，结果证明阿尔伯特·爱因斯坦错了。按照加州理工学院的理查德·费曼和基普·索恩（Kip Thorne）[BS '62] 的传统，他们会下科学赌注，我曾与量子物理学家亚基尔·阿哈罗诺夫（Yakir Aharonov）打赌弗里德曼-克劳瑟实验的结果。奇怪的是，他只给了我俩（弗里德曼-克劳瑟）一美元。我输了赌注，当我寄给他一份包含我们结果的预印本时，附上了一张两美元的钞票并表示祝贺。

看到我自己的实验证明阿尔伯特·爱因斯坦是错误的，我很难过。但实验给出了对他不利的 6.3-σ结果[5-σ或更高的结果被认为是物理学意义的黄金标准]。但随后迪克·霍尔特（Dick Holt）和弗兰克·皮普金（Frank Pipkin）在哈佛的竞争实验（从未发表）得到了相反的结果。我想知道我是否忽略了一些重要的细节。我独自在加州大学伯克利分校进行了另外三项量子力学的实验测试。所有人都得出了相同的结论。尼尔斯·玻尔是对的，阿尔伯特·爱因斯坦是错的。哈佛的结果没有重复，是错误的。当我与哥伦比亚大学的教员重新联系时，他们都说：“我们告诉过你！现在停止浪费钱，去做一些真正的物理。” 在我职业生涯的那个时候，我工作的唯一价值在于它证明了我是一个相当有才华的实验物理学家。仅此就让我在劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Lab）找到了一份工作，从事可控聚变等离子体物理学研究（controlled-fusion plasma physics research）。

你能帮我们准确理解你的实验结果吗？

约翰·克劳瑟：为了阐明实验结果，我和迈克·霍恩（Mike Horne）制定了现在被称为克劳瑟-霍恩定域实在论(Clauser–Horne Local Realism [1974])的理论。随后，约翰·贝尔（John Bell）和艾布纳·希莫尼（Abner Shimony）也对它作出了进一步的贡献（ contributions to it were subsequently offered by John Bell and Abner Shimony），所以也许它应该更恰当地称为贝尔-克劳瑟-霍恩-希莫尼定域实在论（Bell–Clauser–Horne–Shimony Local Realism）。定域实在论作为一种可行的理论存在的时间很短。事实上，在它完全成型之前就被实验驳斥了。尽管如此，定域实在论具有启发式的重要性，因为它详细地说明了量子力学不是什么。

定域实在论假设自然由东西组成，由客观真实的物体组成，即你可以放在盒子里的东西。（这里的盒子是一个假想的封闭表面，定义了分离的内部和外部体积。）它进一步假设物体存在，无论我们是否观察它们。类似地，无论我们是否观察它们，都假定获得了确定的实验结果。我们可能不知道这些东西是什么，但我们假设它存在并且分布在整个空间中。事物可以确定性地或随机地发展。定域实在论假设盒子里的东西具有内在属性，并且当有人在盒子里进行实验时，获得任何结果的概率在某种程度上受到盒子里东西的属性的影响。如果一个人用不同的实验参数进行不同的实验，那么可能会得到不同的结果。现在假设一个人有两个相隔很远的盒子，每个盒子都装着东西。定域实在论进一步假设在一个盒子中进行的实验参数选择不会影响远处盒子的实验结果。因此，定域实在论禁止了幽灵般的远距离作用。它强化了爱因斯坦的因果关系，禁止任何非局部的因果关系。令人惊讶的是，这些简单且非常合理的假设本身就足以推导出第二个重要的实验预测，限制了在分离的盒子中获得的实验结果之间的相关性。这个预测就是1974年的克劳瑟-霍恩不等式(Clauser–Horne inequality/CH inequality)。

1969年CHSH不等式的推导需要几个小的补充假设，有时称为“漏洞（loopholes）”。CH不等式（CH inequality）的推导消除了这些补充假设，因此更普遍。量子纠缠系统的存在与CH预测不一致，因此定域实在论经得起实验的反驳。CHSH不等式和CH不等式都被违反了，不仅是1972年的第一个弗里德曼-克劳瑟实验和我1976年的第二个实验，而且现在还有数百个证实的独立实验。现在，各种实验室已经用光子对（photon pairs）、铍离子对（beryllium ion pairs）、镱离子对（ytterbium ion pairs）、铷原子对（rubidium atom pairs）、整个铷原子云对（whole rubidium-atom cloud pairs）、钻石中的氮空位（nitrogen vacancies in diamonds）和约瑟夫森相量子位（Josephson phase qubits）来纠缠和违反CHSH不等式。

许多研究人员认为测试定域实在论和CH不平等对于消除CHSH漏洞很重要。因此，随着量子光学技术的改进和允许，人们付出了相当大的努力。测试CH不等式已成为实验家的圣杯挑战。CH不等式的违反终于在2013年和2015年在两个相互竞争的实验室中实现：维也纳大学（University of Vienna）的安东·泽林格小组和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois at Urbana–Champaign）的保罗·奎亚特（Paul Kwiat）小组。2015 年的实验涉及56名研究人员！定域实在论（Local Realism）现在被彻底驳斥了！实验和量子力学之间的一致性现在有力地证明了非定域量子纠缠是真实的。

您的工作中有哪些重要的技术应用？

约翰·克劳瑟：我的工作的一个应用是定域实在论定义的最简单的对象——一点点信息。定域实在论表明，单个量子力学信息位，即“量子位（qubit）”，不能总是定位在时空盒子中。这一事实提供了量子信息论和量子密码学的基础。加州理工学院的量子科技计划、2019年 12.8亿美元的美国国家量子计划（2019 $1.28-billion U.S. National Quantum Initiative），以及 2019年4亿美元的以色列国家量子计划（2019 $400 million Israeli National Quantum Initiative），都依赖于纠缠的现实。中国墨子座量子加密通信卫星系统（The Chinese Micius quantum-encrypted communications satellite system）的配置与弗里德曼-克劳瑟实验几乎完全相同。它使用CHSH不等式来验证纠缠在外层空间的持久性。

你能告诉我们更多关于你的家人与加州理工学院的紧密联系吗？

约翰·克劳瑟：我的父亲弗朗西斯·克劳瑟（Francis H. Clauser）及其弟米尔顿·克劳瑟（Milton U. Clauser）二人，均于1934年获得理学学士学位（BS '34）、1935年获得理学硕士学位（MS '35）、1937年获得博士学位（PhD '37），他们二人的博士学位都师从于加州理工学院的西奥多·冯·卡门（Theodore von Kármán）。我父亲曾经荣获1966年加州理工学院杰出校友奖（Distinguished Alumni Award ’66）。弗朗西斯·克劳瑟是加州理工学院的克拉克·布兰卡德·米利根（Clark Blanchard Millikan）工程教授，曾经荣获1980年杰出教师奖（Distinguished Faculty Award ’80）；他也是加州理工学院工程与应用科学系（Caltech’s Division of Engineering and Applied Science）主任。米尔顿·克劳瑟的儿子 Milton J. Clauser，1966年在获得博士学位 [PhD '66] ；米尔顿·克劳瑟的孙子卡尔·克劳瑟（Karl Clauser），1986年在获得理学学士学位[BS '86]后与父亲都去了加州理工学院。我的妈妈凯瑟琳·麦克米伦·克劳瑟（Catharine McMillan Clauser）是加州理工学院的人文图书管理员，在那里她遇到了我的父亲。她的兄弟埃德温·麦克米伦（Edwin Mattison McMillan）1928年获得理学学士学位（BS '28）、1929年获得理学硕士学位(MS '29),是加州理工学院校友和 1951年诺贝尔化学奖（The Nobel Prize in Chemistry 1951）获得者。我们家族现在拥有在加州理工学院毕业典礼上颁发的加州理工学院“米尔顿和弗朗西斯博士奖” (Caltech’s “Milton and Francis Doctoral Prize”)的权利。