人類第一次看見量子糾纏！科學家終於拍攝到量子糾纏的照片

在一項近期發表於《科學·進展》的研究中，英國格拉斯哥大學的物理學家保羅-安托萬·莫羅（Paul-Antoine Moreau）帶領團隊首次拍攝到量子糾纏的照片。終於，人類第一次親眼看見這種「幽靈般的超距作用」。

撰文 | 張華

編輯 | 吳非

證實量子糾纏

1935年，在普林斯頓高等研究院，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）與鮑里斯·波多爾斯基（Boris Podolsky）、納森·羅森（Nathan Rosen）共同提出了EPR悖論。這個悖論顯示，在量子力學中，兩個相互作用的粒子，無論相隔多遠（理論上這個距離可以比銀河系直徑還大），其量子狀態仍能「糾纏」在一起，共享同一個整體的物理狀態。這種超距的量子關聯被稱為量子糾纏，也被愛因斯坦稱為「幽靈般的超距作用」。

之所以被稱作悖論，是因為這在當時看起來似乎違反了狹義相對論。愛因斯坦他們認為量子力學是錯的：量子力學之所以呈現出不可預測的概率性，是因為還有一些物理變數隱藏起來了。（比如我們不能預測股票市場的漲跌，是因為影響股票市場的變數很多，比如某地發生了山體滑坡會影響股票市場，而如果這個山體滑坡的消息只被少數幾個人知道，對大多數股民來說，這消息就是一個隱變數。）

愛因斯坦等人的EPR論文希望用所謂的「定域隱變數理論」來取代量子力學理論，從而克服悖論引發的困難。

愛因斯坦認為，量子力學中存在隱變數。如果隱變數真的存在，那就必須要找出來。

1965年，當時在歐洲核子中心研究高能物理的年輕研究人員約翰·貝爾（John Bell）發表論文指出，對於EPR悖論，其實是可以做實驗來驗證的。對於量子糾纏的兩個粒子來說，量子力學得到的統計關聯性結果比定域性隱變數理論要強很多。因此，實驗是可以分辨出這兩種理論的。在文章中，貝爾給出了一個不等式來說明，如果用S來表示兩個粒子的統計關聯的程度，那麼：

若S = 2，說明沒有量子糾纏；

若 2 2/3，則說明存在量子糾纏。

在貝爾論文的指引下，物理學家用正負電子湮滅產生的高能伽馬射線的兩個相互糾纏的光子，做了一些實驗試圖檢驗貝爾不等式。但是，當時這種高能光子的探測器比較難分辨量子糾纏。1981年，法國一位名為阿蘭·阿斯佩克特（Alain Aspect）的博士生用鈣原子激發產生的兩個可見光子做了實驗，也證明了實驗結果符合量子力學的預測，而不符合定域性隱變數理論，這相當於給定域性隱變數理論蓋上了棺材板。

阿蘭·阿斯佩克特在1981年發表的實驗論文（來源：PRL）

目前，科學界普遍接受了量子力學的正統解釋，也接受了量子糾纏的存在性。不過，人們卻始終沒有真正看到量子糾纏的圖像。

製造糾纏光子對

如果要給量子糾纏拍照，首先要建立一個量子糾纏的系統，否則巧婦難為無米之炊。

而建立量子糾纏的系統有很多種方法，比如可以研究電子與電子之間的量子糾纏，也可以研究光子與光子之間的量子糾纏。

格拉斯哥大學的研究人員使用的是光子。他們設計了一個實驗系統：一個波長為355納米的紫外光子通過了偏硼酸鋇（BBO）晶體後，變成了兩個710納米的紅光光子。

隨後，他們使用分束器讓這兩個波長為710納米的光子分離，它們各自沿著光學系統中的兩條不同的光路傳播。這兩條光路的長度不一樣，因此可以調節兩個光子達到探測器的時間差。

這兩個分道揚鑣的光子，就是一對糾纏光子。為什麼它們是量子糾纏的呢？因為這兩個710納米的光子是軌道角動量等於0的355納米的光子通過BBO晶體產生的。根據角動量守恆定律，這一對糾纏光子（標記為1號光子與2號光子）的軌道角動量分別是 1與-1。所以，它們可以構成一個如下的糾纏態（用狄拉克符號表示）：

根據這一原理，可以產生大量的糾纏光子對（具有不同軌道角動量的光子具有不同的波前，這在實驗中可以檢測出來）。

拍下照片

有了量子糾纏的光子以後，就可以拍照了。

以前檢驗量子糾纏的方法，比如前面提到的阿蘭·阿斯佩克特的實驗，也是基於可見光的光子。但當時是對光子的個數進行計數，而沒有直接拍攝量子糾纏的照片。

實驗裝置圖（來源：研究論文）

在最新研究中，格拉斯哥大學的實驗裝置相當於一台超靈敏的照相機，能夠探測單個光子。

具體來說，一對光子被分束器（上圖中的BS）分離，分別沿著兩條路線傳播。其中，第一個光子經過空間光調製器（SLM 1），被光纖收集後，繼而被單光子探測器（SPAD）探測到。另一個光子經過分束器折射後，沿著另一條光路傳播，通過了放置在BBO晶體的傅里葉平面的SLM 2。然後，這個光子會通過一段20米長的延遲線（Delay line），最終被增強型電荷耦合檢測器（ICCD）相機檢測到。

這項實驗的設計原理是，當第一條光路上的SPAD探測到光子時，便將信號傳送至ICCD相機、觸發ICCD相機拍攝照片。由於量子糾纏存在，相機應該能捕捉到第二條光路上的光子。但由於相機存在觸發延遲，因此第二條光路精確設置了延遲線，從而確保第二個光子到達的時間與相機拍照的瞬間恰好一致。這樣，相機就捕捉到一個可見的光子糾纏記錄。

隨後，他們設計了一個系統，讓大量的糾纏光子顯示在液晶材料上，液晶材料在光子通過時可以記錄下來形成圖像。這證明了量子糾纏是存在的。

圖（B）為光子在4種不同的相位下，被相機捕捉到的圖像。

格拉斯哥大學的物理學家成功拍攝到量子糾纏的照片，而且他們的實驗得到的貝爾不等式相關參數S = 2.443（因為實驗有各種誤差，所以沒有達到最大的量子糾纏22/3，即2.82）。但很明顯，2.443這個數字是大於2的，這無疑再次說明了，量子糾纏是真實存在的。

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