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（科學網(wǎng)張?zhí)烊夭┛?，收藏有刪減）
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         走近量子糾纏（11）：阿斯派克特的實驗  
?   阿斯派克特1947年出生，從小就立志要成為一名科學家，后來果然成為著名的實驗物理學家，為實驗驗證量子力學的基礎理論作出了重要貢獻。
?    上世紀80年代初，阿斯派克特到巴黎攻讀物理博士學位，巴黎大學走出的眾多世界一流的科學家（笛卡爾、帕斯卡、拉瓦錫、柯西、居里夫婦及女兒女婿等）吸引著他。在之前的業(yè)余時間里，阿斯派克特反復閱讀了有關量子力學基礎理論的書籍和論文，特別感興趣有關EPR佯謬及用貝爾不等式來檢驗量子力學非定域性的課題，這也是他進入巴黎大學攻讀博士的初衷。
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阿斯派克特

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?    阿斯派克特知道，檢驗貝爾不等式的第一個實驗是1972年由Clauser和Freedman在加州大學伯克利分校完成的，但實驗存在一些被人詬病的漏洞，其結(jié)果不具有說服力。因此，阿斯派克特設計了一個系列實驗，決定首先重復、然后改進克勞瑟等人的工作。阿斯派克特所在的巴黎離貝爾工作的歐洲核子中心不太遠，可以經(jīng)常開車到CERN去找貝爾討論問題。當貝爾第一次見到他，得知他只是一個剛開始做物理研究工作的學生時，吃驚地表示：“你一定是一個非常大膽的學生?！?br>?    科學研究的確需要勇氣和膽量，偉大的成就只鐘情于勇敢的開拓者，不會眷顧那些跟在他人后面搖旗吶喊的庸碌之輩。對科學創(chuàng)新來說，勇氣、眼光和創(chuàng)造力、想象力一樣，太重要了。
?    阿斯派克特計劃作三個實驗：
?    第一個實驗，基本構思和克勞瑟等人的一樣，但需要結(jié)合采用激光器，因為實驗室里的糾纏態(tài)大多數(shù)是用光來實現(xiàn)的，而使用偏振片可以測定和轉(zhuǎn)換光的偏振方向（下圖所示）。
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?    阿斯派克特用激光來激發(fā)鈣原子，引起級聯(lián)輻射，產(chǎn)生一對往相反方向“圓偏振”的糾纏光子。圖中所示的是線偏振光的情形，而圓偏振光可看作是兩個線偏振光的疊加。圓偏振光有兩個不同的旋轉(zhuǎn)方向，這可類比于電子的自旋。因此，對自旋糾纏電子對的討論可以用在極化的糾纏光子對上。
?    克勞瑟10年前的實驗中沒有使用激光，這是他的最大遺憾，因為當年克勞瑟的身邊就站著激光的發(fā)明人湯斯，卻不知道為什么他沒有使用這個威力強大的武器。阿斯派克特使用兩個激光源激勵鈣原子產(chǎn)生光量子糾纏對，實驗得到的量子力學對貝爾不等式的偏離，達到了9倍的誤差范圍，相對于克勞瑟的5倍誤差范圍。
?    第二個實驗，利用雙通道的方法，來提高光子的利用率，減少前人實驗中的所謂“偵測漏洞”。這個實驗也大獲成功，最后以40倍于誤差范圍的偏離違背貝爾不等式，再一次證明了量子力學的正確。 

貝爾不等式實驗驗證示意圖
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    第三個實驗，采取了延遲決定偏光鏡方向的方法。用實驗驗證貝爾不等式，其根本目的之一就是要驗證量子力學到底是定域的，還是非定域。非定域性的意思是說，如果測量糾纏光子對中一個光子的偏振，將會影響到它的孿生兄弟——另一個光子的偏振方向。這種影響的發(fā)生，不允許兩個光子之間存在任何溝通。換句話說，貝爾不等式體現(xiàn)了定域條件對兩個光子的關聯(lián)協(xié)作程度的限制?；蛘哒f，對它們的邏輯能力的限制。在實驗中需要做到“保證兩個糾纏光子間沒有交換信號的可能性”。實驗中采取延遲決定偏光鏡方向的方法就是為了保證這點，這相當是在克勞瑟等人實驗的基礎上，再加一道閘門，以保證排除糾纏光子間交換信號的可能性。
?    “延遲決定”來自于約翰·貝爾的建議：如果你預先就將實驗安排好了，兩個偏振片的角度也調(diào)好等在那兒，然后用激光器激發(fā)出糾纏光子對，飛向兩邊早就設定了方向的檢偏鏡，兩個光子分別在兩邊被檢測到，這過程中光子不就有足夠時間互通消息？即使我們不知道它們是采取何種方法傳遞消息，但總存在作弊的可能性。
?    阿斯派克特在實驗中不預先設定兩個檢偏鏡的角度，而是將這個決定延遲到兩個光子已經(jīng)從糾纏源飛出，快要最后到達檢偏鏡的那一刻。這種想法還得有實驗室中的可行性。他的兩個檢偏鏡距離糾纏源分別大約6.5米左右，當兩個光子快到檢偏鏡的那一刻，它們之間的距離大約是13米。最快的信息傳遞速度是光速，光也需要40ns（ns是納秒，1ns=10萬萬分之一秒）走完13米的路程。因此，阿斯派克特發(fā)明了一種基于聲光效應的設備，能使檢偏鏡在每10ns的時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)一次。這樣，兩個糾纏光子就不可能有足夠時間來互相通知對方了。換言之，光子對來不及互相傳遞信息——碰到檢偏鏡時是某方向。阿斯派克特的第三個實驗原理如圖所示。 

掃描自：阿斯派克特1982年文章中用以驗證CHSH-貝爾不等式的原圖

中間的S是糾纏光源，I(a)、II(b)等，是10ns旋轉(zhuǎn)一次方向的檢偏鏡。

四條通道的測量數(shù)據(jù)匯總到下方的'符合檢測設備’進行處理。

 

    阿斯派克特的三個實驗大獲成功，被作為是量子力學非定域性的最后判定。后來的實驗，更為徹底地排除了定域性的漏洞。量子力學是非定域的，已是物理界基本上公認的結(jié)論。至于這結(jié)論背后是不是真的隱藏著超光速，人們?nèi)匀徊荒艽_定，也不能利用它來實際地傳送信息，因而與愛因斯坦的狹義相對論并無矛盾。德布羅意“物質(zhì)波”的相速度c²/v比光速要快，但只要不攜帶能量和信息，它就不違背相對論。所以，量子力學非定域性的認可，并不等于相對論被推翻，相對論和量子論仍然是我們所能依賴的可靠理論基石。也許正因為有關“定域”、“隱變量”爭論的塵埃未定，有關量子糾纏研究及應用方面至今未出諾貝爾獎得主。1990年，貝爾62歲時因腦出血而意外死亡，遺憾的是，貝爾并不知道那年他被提名為諾貝爾獎。
?    2011年，阿斯派克特、克勞瑟和塞林格被提名諾貝爾物理學獎，雖然最后此獎落到了另外三位從事宇宙膨脹理論研究的物理學家頭上，但這三位實驗物理學家對量子力學理論和實驗方面的貢獻已經(jīng)得到了學術界的公認，他們用一系列越來越精妙的實驗，驗證了貝爾不等式，推動了量子糾纏態(tài)在通訊及計算機應用方面的研究。?
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