阿斯派克特的實驗

知識 03-02

張天蓉/文

阿斯派克特1947年出生於法國西南部加龍河畔的阿讓（Agen），那是一個以葡萄紅酒美食佳肴為文化特色的美麗浪漫的小村莊。阿斯派克特從小就立志要成為一名科學家，後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，阿斯派克特前往非洲作了三年自願者之後，來到了巴黎，攻讀他的物理博士學位。他不是沖著巴黎的燈紅酒綠繁華夜市而來的。那時的法國，不僅僅是風花雪月的浪漫之都，也是人才薈萃的重要的世界物理研究中心。從首屈一指的巴黎大學，走出了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……這一大串閃亮的名單，吸引著阿斯派克特。

在非洲喀麥隆作三年社會工作的業餘時間裡，阿斯派克特反覆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，這也是他從非洲返回祖國，進入巴黎大學攻讀博士的初衷。

阿斯派克特的實驗

阿斯派克特，照片來自網路

http://en.wikipedia.org/wiki/Alain_Aspect

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，因而結果不那麼具有說服力。因此，阿斯派克特設計了一個系列實驗，決定首先重複並然後改進克勞瑟等人的工作。其次，阿斯派克特還有他的優越性，那就是他所在的巴黎離約翰·貝爾工作的歐洲核子中心不算太遠，可以經常開車到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Ph.D學生時，吃驚地表示：「你一定是一個非常大膽的學生！」。

科學研究的確需要勇氣和膽量，偉大的成就只鍾情於勇敢的開拓者，不會眷顧那些跟在他人後面搖旗吶喊的庸碌之輩。對科學創新來說，勇氣、眼光和創造力、想像力一樣，太重要了。

阿斯派克特努力勤奮地開始工作，用心製造和改進所需要的每一件設備。他計劃作三個實驗，第一個實驗，基本構思和前面克勞瑟等人的一樣，但結合了Fry 和Thompson在1976實驗中採用激光器作為激勵光源的方法。阿斯派克特深知糾纏光源對他的實驗的重要性。讀者可能還記得，在第7節中解釋貝爾不等式時，我們在圖中畫的是電子的自旋矢量。然而，實驗室里的糾纏態卻大多數是用光來實現的。光，是我們日常生活中最常見的，也是物理實驗室里最常用的東西。類似於電子的自旋，光可以有不同的偏振方向。光的偏振（或稱『極化』）的概念，在我們使用太陽眼鏡時會有所體會。偏振式太陽眼鏡就是利用光的偏振特性而製成的。用簡單的一句話來說，太陽眼鏡只讓在某一個特定方向振動的光線通過，這樣，在正對太陽開車時，就大大地減少了耀眼的光線，使司機不至於太受強光的干擾，而仍然能夠看清目標。實驗室中，使用偏振片來測定和轉換光的偏振方向，其工作原理與太陽眼鏡類似（如下圖所示）。

阿斯派克特的實驗

再回到實驗室中，光的偏振和電子自旋類似這個話題。阿斯派克特用激光來激發鈣原子，引起級聯輻射，產生一對往相反方向『園偏振』的糾纏光子。在上面圖中所示的是線偏振光的情形，而園偏振光可看作是兩個線偏振光的疊加。園偏振光有兩個不同的旋轉方向，這可類比於電子的自旋，因此，之前對自旋糾纏電子對的討論都可以用在極化的糾纏光子對上。

克勞瑟十年前的實驗中沒有使用激光，這說起來可能是他的最大遺憾。當年克勞瑟的身邊，就站著激光的發明人湯斯。可不知道為什麼，他在實驗中卻沒有使用這個威力強大的武器。也許是因為當時的激光不容易使用？也許是當時還沒有波長合適激勵鈣原子的激光源？也許是克勞瑟急於求成？無論如何，歷史巨人畢竟已經邁過了十年的步伐，阿斯派克特使用兩個激光源激勵鈣原子產生光量子糾纏對，他的這個實驗結果，得到量子力學對貝爾不等式的偏離，達到了9倍的誤差範圍，相對於克勞瑟的5倍誤差範圍，改進了好幾個等級。

阿斯派克特的第二個實驗，是利用雙通道的方法，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，最後以40倍於誤差範圍的偏離，違背貝爾不等式，再一次強有力地證明了量子力學的正確！

阿斯派克特的最大貢獻是在第三個實驗中，採取了延遲決定偏光鏡方向的方法。

阿斯派克特的實驗

貝爾不等式實驗驗證示意圖

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，還是非定域的？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。這種影響的發生，不允許兩個光子之間的任何溝通。換句話說，貝爾不等式體現了定域條件對兩個光子的關聯協作程度的限制。或者說，對他們的邏輯能力的限制。不是嗎？在現實社會中，如果有一對雙胞胎出生後從未見過面的話，即使他們的基因完全一樣，但因為他們是作為兩個不同的個體而存在，他們有完全不同的人生經驗。如果在遠離的兩地，對他們進行各方面的考試測驗的話，他們應該是表現得不那麼緊密相關的。

重要的是，這兩個雙胞胎不能暗地裡互通消息，也不能有出題目的人參與其中共同作弊。否則的話，上面的結論就不能成立了，他們之間被測量出來的關聯程度會大大增加，給人以他們能瞬時間傳遞心靈感應的假象。在實驗中也得做到這一點：要保證兩個糾纏光子間沒有交換信號的可能性。阿斯派克特在第三個實驗中，採取延遲決定偏光鏡方向的方法，就是為了保證這點。或者說，他在克勞瑟等人實驗的基礎上，再多加了一道閘門，完全排除了糾纏光子間交換信號的可能性。

這建議是來自於約翰·貝爾。他說，如果你預先就將實驗安排好了，兩個偏振片的角度調好了等在那兒，然後，你從容不迫慢吞吞地開始實驗：用激光器激發出糾纏光子對，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……。在這整個過程中，光子不是完全有足夠的時間互通消息嗎？即使我們不知道它們是採取何種方法傳遞消息的，但總存在作弊的可能性吧。

要如何才能斷絕兩個雙胞胎考試作弊的可能性呢？起碼，我們能想出的辦法就是『延遲』出題的時間，最好是等兩個雙胞胎已經分別坐到了兩地的考場上，你再將即時隨機而出的兩套題目分給兩個考官。這樣一來，雙胞胎就沒法互通消息了，即使是最快的電話、電郵也都來不及了。阿斯派克特在實驗中採取的也是這種類似方法，他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從糾纏源飛出，快要最後到達檢偏鏡的那一刻。

當然，阿斯派克特的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。因此，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=10萬萬分之一秒）的時間來走完13米的路程。因此，阿斯派克特發明出了一種基於聲光效應的設備，能使得檢偏鏡在每10ns的時間內旋轉一次。這樣，兩個糾纏光子就不可能有足夠的時間來互相通知對方了。換言之，它們來不及互相了解情況並告知對方：我碰到的檢偏鏡是某某方向的，因此，你也做好準備將偏振調節到某某方向……，它們即使想作弊也來不及了！阿斯派克特的第三個實驗原理如下圖所示：

阿斯派克特的實驗

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旋轉一次方向的檢偏鏡。

四條通道的測量數據匯總到下方的『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後判決。後來，1998年，下一節我們將要談到的，又有Zeilinger及其同事在奧地利因斯布魯克大學完成的實驗，更為徹底地排除了定域性的漏洞。

量子力學是非定域的，這在物理界基本上是公認的結論。至於這結論背後是不是真的隱藏著超光速，人們仍然不能確定，儘管它表面上看起來似乎是一種類似的效應，但我們並不能利用它實際地傳送信息，因此，這和愛因斯坦的狹義相對論並無矛盾。當初，德布羅意那「物質波」的相速度c^2/v就比光速要快，但只要不攜帶能量和信息，它就不違背相對論。量子力學非定域性的認可，並不等於相對論被推翻，相反，相對論和量子論兩者至今仍然是我們所能依賴的最可靠的理論基石。

也許正因為有關『定域』、『隱變數』等等爭論的塵埃未定，有關量子糾纏研究及應用方面至今未出諾貝爾獎得主。貝爾於1990年62歲時，因腦出血而意外死亡。遺憾的是，貝爾並不知道，那年他被提名為諾貝爾獎。

阿斯派克特和克勞瑟，還有下一節要談到的塞林格（Anton Zeilinger）三位實驗物理學家，曾被提名 2011年的諾貝爾物理學獎。雖然最後，此獎項的殊榮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，因而擴展了量子糾纏態在通訊及計算機應用方面的研究。因為這些貢獻，他們三人被授予了2010年的沃爾夫物理獎。

阿斯派克特的實驗