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光子的量子纠缠
卡尔·科赫（Carl Kocher）教授在其最新文章《光子的量子纠缠：1964-1967 年的首次实验》（Quantum Entanglement of Optical Photons: The First Experiment, 1964-67）中分享了他的科学旅程与思考，该文章已发表在Frontiers in Quantum Science and Technology（新晋期刊）上。
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原文链接👇
https://www.frontiersin.org/journals/quantum-science-and-technology/articles/10.3389/frqst.2024.1451239/full?utm_source=wechat&utm_medium=social&utm_content=kepu&utm_campaign=artpromchn
在本篇受该文章启发的嘉宾专栏中，科赫教授将介绍他于 1964-1967 年间进行的关于量子纠缠的突破性实验，并帮助我们拓展思维，以理解这种看似矛盾的现象。
粒子和能量流的量子纠缠概念。图片：shutterstock
科赫教授的新文章旨在传达一项小型研究项目的精神，该项目深入探索了未知领域。这篇文章打破了传统，以第一人称视角叙述了实验的策略和挑战，并对最终结果及其意义进行了阐释。在本篇专栏中，科赫教授将介绍这一主题，并试图阐明“什么是悖论”这一问题。
让我们从科赫教授八岁时在一间玩具店买的一个陀螺仪说起。这个陀螺仪的圆盘一端固定在轴上，旋转时不会倒下，而是在水平面上缓慢移动。如果不考虑陀螺仪，这种行为是神秘且有悖我们日常经验的。但在牛顿力学的框架下，这种现象就变得清晰易懂，因为它可以精确预测陀螺仪的行为，从而消除了悖论。
量子理论诞生于 20 世纪 20 年代中期，在解释原子和分子的性质及其相互作用方面取得了令人瞩目的成就。1935 年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出了一个思想实验，引发了争议。在这个思想实验中，两个来自同一源头的粒子分开运动，而量子理论预测，在随后对它们自旋的测量中会出现关联。这种关联看起来非常令人费解，因为对其中一个粒子的测量似乎会影响对另一个粒子的测量结果，即使这两个粒子之间没有相互作用。
用现在的术语来说，这种关联就是量子纠缠，而这种关联现象被称为 EPR 悖论。这个难题引发了许多讨论和分析，特别是因为当时（以及现在）都没有发现任何已知的机制可以让测量结果之间相互传递信息。
解开纠缠之谜
1964 年，科赫教授对这种奇特的效应产生了浓厚兴趣，并开始思考如何真正进行 EPR 实验（或者至少是它的某个版本），来观察这种关联和纠缠现象。这将是一个可以在小型实验室中进行的低能实验。
实验装置示意图。图片来源：本论文
在这个实验中，研究对象是可见光光子，它们不发生相互作用，由处于激发态的钙原子通过两阶段自发辐射过程发射出来。光子的偏振态（与它们的自旋有关）可以使用普通的线性偏振器进行测量。光电倍增管探测器用于计数单个光子，分别标记为 #1（绿色）和 #2（紫色），而计时电路则可以识别来自同一个原子的光子对。每个探测器前面都安装了一个可旋转的线性偏振器。
在两级级联中发射的光子。图片来源：本论文
简单来说，这个实验就是测量光子对被探测到的速率，并将其作为偏振器方向的函数。从同一个原子探测到的光子对被记录为“同时计数”。
量子理论做出了以下预测：
-1. 每个光子，单独来看，都有 50% 的概率通过其对应的偏振器，与其偏振方向无关。
-2. 如果两个偏振器的轴线平行，来自同一个原子的两个光子都可以通过其对应的偏振器并被计数，此时可以观察到同时计数。
-3. 如果两个偏振器的轴线垂直，则两个光子不可能同时通过其对应的偏振器。因此，不会观察到同时计数。
预测#1 和 #2 并不令人惊讶，因为绿色和紫色的光束是非偏振光。
预测 #3 在科赫教授的文章中有更详细的讨论，它是一种量子纠缠效应，在经典（非量子）物理学中没有类似的现象。它之所以特别有趣，是因为它可以通过实验来验证。科赫教授设计这个实验的目的就在于此。
经过近三年的实验室努力，实验结果清楚地表明：当偏振器的轴线平行时，可以记录到同时计数；而当偏振器的轴线垂直时，则没有记录到任何同时计数。实验结果与理论预测之间的一致性是明确且令人震惊的。
那么，这是否是一个悖论？
在我们刚才对陀螺仪的简短讨论中，我们并没有把它看作一个悖论，因为牛顿理论（经典动力学）可以完全解释陀螺仪的运动方式。此外，无论是理论预测还是观察到的陀螺仪行为，都与我们的生活经验以及我们对经典世界自然过程的直观理解相符。
而在量子纠缠的例子中，量子理论可以解释观察到的光子偏振之间的关联。但即使一个理论可以预测实验结果，如果我们的直觉无法理解它，那么悖论仍然存在。
粒子、量子纠缠。图片：shutterstock
让我们再来看一看上面的预测 #1 和 #3。如果我们根据在非量子世界的生活经验来思考，当两个偏振器的轴线“交叉”成 90 度时，我们会发现一些非常奇怪的现象。如果每个光子都有 50% 的概率通过其对应的偏振器，那么为什么我们没有在 25% 的情况下观察到同时计数呢？相反，我们一次也没有观察到。乍一看，这确实像是一个悖论。
一种可能的解释是，量子理论中可能缺少了某个组成部分——也许是一种可以让一个光子或一个测量结果与另一个光子或测量结果进行通信的因果机制。然而，尽管科学家们进行了大量的研究，但至今没有找到任何支持这种机制存在的证据。
由于我们并不生活在一个明显量子化的世界中，因此经典现象可能会影响我们的思维方式——即使在我们探索量子领域的时候也是如此。因此，将量子纠缠纳入我们的直觉认知可能仍然是一个挑战。科赫教授相信，通过进一步的思考和实验经验（例如他在文章中提到的实验），我们可以“拓展思维”，更全面地理解量子纠缠和其他量子现象，从而至少部分地解决这个悖论。
对于自然界的这些奇特现象，科赫教授称之为“奇妙得不可思议”。
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Frontiers in Quantum Science and Technology 是瑞士出版社 Frontiers 旗下的开放获取期刊，本期刊致力于推动量子技术领域的发展，为现代社会提供由纠缠和相干等量子自然特性带来的技术突破。本刊尤其关注有关未来计算机、安全通信协议和传感器的研究，以及整合了量子设备和量子材料的量子工程等研究领域。
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