2022-10-24 文：王珩 由 量子前哨 發表于科學

克勞瑟的實驗

美國勞倫斯伯克利國家實驗室和加州大學伯克利分校的約翰·克勞瑟和研究生斯圖爾特·弗里德曼（Stuart Freedman）是第一個將貝爾的實驗從論文帶入實驗室的人。包括理察·費曼在內的知名物理學家都不鼓勵克勞瑟進行這項實驗，認為量子力學不需要進一步的實驗證明，但是貝爾親自寫信鼓勵克勞瑟完成這項研究。 克勞瑟覺得如果不用自旋電子，而是用糾纏的光量子來做貝爾實驗，將更加可行。但是正負電子對撞的能量太大，產生的光子頻率太高，也很難實驗。1972年，克勞瑟和弗里德曼利用光的偏振首次成功地完成了貝爾實驗。他們提出一個新的辦法來獲得糾纏光子。用紫外線來照射鈣原子，電子有可能被激勵到高出兩個能級的狀態，然後當能量回落時，就有可能連續回落兩個能級，並有一定概率出現輻射出兩個相互糾纏的光子。使用鈣原子時，將輻射出波長分別為 551nm 的綠光光子和 423nm 的藍光光子。與電子自旋可以取兩個不同的方向一樣，光量子的極化（偏振）也可以取兩個相對於偏光片方向的值之一。 只要發生測量，光子的偏振方向的量子態就會坍縮成一個具體的方向，而且由於糾纏，兩個光子的偏振方向必定是相互垂直的。所以在實驗中讓兩個光子各自通過一個偏振濾光片，這兩個濾光偏振角度相互垂直，如果兩個光子都通過偏振片或者都不通過偏振片，則說明兩個光子的偏振具有相關性，也就是糾纏的。如果一個光子通過偏振，而另一個光子不通過，則兩者之間缺乏相關性。 在實驗之前，克勞瑟還下了2美元（也有記錄說是500美元）的賭注，賭他的實驗會證明愛因斯坦是對的。實驗結果讓他失望了，經過多次光量子實驗，其結果違反了貝爾不等式，在微觀世界中排除了任何「隱變量」的存在。愛因斯坦是錯誤的，克勞瑟輸掉了他的賭注，但贏回了量子力學的一次巨大勝利。

克勞瑟實驗的局限性之一是它在產生和捕捉光量子方面效率較低。製備糾纏光子對非常困難，大概一百萬個光子裡能有一對糾纏光子。因此，這個實驗還是相當艱難，花了克勞瑟和弗里德曼很長時間，累計試驗超過 200 多個小時。 更重要的是由於偏光片處於固定角度，因此測量是預設的，這就可能導致這個貝爾實驗還有隱變量存在的漏洞。接下來就看另一位獲獎者——阿蘭·阿斯佩如何去填補克勞瑟實驗中的漏洞了。

阿斯佩的實驗

九年以後，也就是1981年，正在攻讀博士的阿斯佩也關注了貝爾不等式實驗。在他攻讀博士學位期間，阿斯佩發表了三篇論文。第一篇論文他把克勞瑟的實驗復現出來，並大大改進克勞瑟的方法，提升獲得糾纏光子的效率，因此他選擇了此時已經較為成熟的雷射做為光源去激發鈣原子，極大地提高了效率。最終的實驗結果比當年的克勞瑟獲得的數據高了好幾個量級，同樣是違背了貝爾不等式，也就是證實了粒子之間存在糾纏，而不是隱變量。 在接下來的第二篇論文中，阿斯佩又利用雙通道的方法來提高光子的利用率，減少此前實驗中的「偵測漏洞」。這個實驗也大獲成功，最後以40倍於誤差範圍的偏離違背了貝爾不等式，再一次強有力地證明了量子力學的正確！ 第三篇論文，阿斯佩還將「延遲選擇實驗」與貝爾實驗結合起來，通過發射糾纏光子後，再隨機改變偏振片的角度的方式，進一步證明了糾纏光子之間不存在相互傳遞信號的可能，堵上了隱變量的可能的漏洞。 但是科學界隨之就對阿斯佩實驗中的這個「隨機性」提出了挑戰，認為如果隨機數生成器和光子發射源在過去通過某種隱藏機制進行過交互，觀察者的測量設定，甚至光子本身的一些屬性就會因此受到影響，進而使實驗觀測到一些本不該存在的相關性。為了解決這個問題，近三十年內又做了非常多的貝爾實驗，去填補這些可能存在「未知隱變量」的漏洞，安東·蔡林格就是其中的佼佼者。

蔡林格的實驗

在奧地利量子光學和量子信息研究所的蔡林格所進行的這個實驗是迄今為止最大的一次量子力學檢驗實驗。他的實驗依然使用的是糾纏的光子對。實驗用6台望遠鏡和一系列光學設備收集由一些星繫於數十億年前所發出的光，將驗證範圍擴大至了整個宇宙時空，試圖將隨機數生成工作外包給宇宙本身，以獲取最大的隨機性。並且生成不同的隨機數的星體之間距離數億光年，相互之間絕不可能以某種遵循相對論（也就是低於光速）的「隱變量」信號互通信息。 在科學史上，蔡林格的實驗被稱為「維也納屋頂實驗（the Vienna rooftop experiment）」。他們將糾纏光子源放置在了維也納大學化學和物理研究所的屋頂上，而光子的檢測端分別位於兩座建築中，相距1700米。每當夜晚降臨，位於兩地的研究人員就會用小型望遠鏡分別觀察天空中南北兩個方向上的恆星，而望遠鏡所收集到的星光則會被傳給一個測量波長的儀器，如果星光的波長小於700納米，儀器會以一種方式生成結果（比如生成數字1），反之亦然。這就是宇宙星體所放出的光子來隨機生成0和1來設置測量參數。