阿斯佩等人的量子纠缠态实验

20世纪70年代，量子纠缠态的实验研究取得了巨大成功，但也有人对结果提出了质疑，认为受到实验条件的限制，在实验过程中，难免漏掉大量的光子，由于“光子的迷失与偏离”，检测器的精度和效率也不高，有人怀疑实验结果的可靠性。此外，还有人提出，克劳瑟的博士后导师汤尼斯（Townes）是激光器的发明者之一，而克劳瑟竟然没有采用激光，也使他的实验受到更多的质疑。

在量子纠缠态的实验研究中，值得一提的是阿斯佩的工作，这一工作不仅是众多成果中最优秀的一个，它所揭示的问题也更具有深刻性和长远性。

在欧洲，阿兰·阿斯佩被物理界公认为是对贝尔理论理解最深入的人。他不仅成功地实现了惠勒提出的“延迟选择”实验，进一步验证了玻尔的互补性原理，他也是深入研究贝尔理论的著名学者，他所领导的研究组在量子纠缠态的实验研究中也做出了最为卓越的贡献。

早在非洲喀麦隆做义工的时候，阿斯佩就有一个梦想，要设计一个实验验证贝尔不等式，由此确认量子力学理论的“非局域性”。为此，他仔细研究了EPR假想实验的每一步，同时也考虑了玻姆的建议，他认为，要想把实验的目标设定在检验贝尔不等式上，其关键点是如何设法“防止”两个纠缠粒子之间不可能彼此有信号的联系。如果在这种情况下，两个纠缠粒子仍在发生联系，这就证明了爱因斯坦的“局域性”不再成立。在他27岁，正在巴黎大学读研究生时，决定以这个实验成果作为他的博士学位论文。为了实现这个梦想，他亲自跑到日内瓦找到了贝尔。贝尔问他：“你现在有没有固定的工作职位？”当贝尔得知，这个年轻小伙子连学位还没有拿到时，不由替他担心起来。这是一个难度极高的实验，他对阿斯佩说：“你一定是一个相当有勇气的年轻人！”贝尔把后面要说的话咽了回去，他想警告阿斯佩，这件事肯定会毁了他的前程。［42］

阿斯佩与达利巴德、罗哲等人所要做的这个实验，的确难度极高又独具风险。为了有足够长的实验通道，他们选择在巴黎大学的地下室进行。从清理实验场所、设计实验到准备器材，所花的时间要比预期长得多。他们选择了激光器和计算机，一次次地反复调试，直到1982年才开始进行正式的实验，最后终于获得了成功。这一实验结果发表在1982年12月的《物理评论快报》上［43］。(https://www.daowen.com)

实验装置如图9所示。阿斯佩使用的是钙光源，当把钙原子激发到一个很高的能态后，在它回到一个低能态做单次跃迁时，同时释放出一对反向运动的光子，这两个光子呈现偏振关联的纠缠态。他们同时设法使两个偏振器的偏振方向也呈现某种关联，如果两个光子真是呈现偏振关联，当沿着一个方向行进的光子通过偏振器时，另一个方向的光子也一定同时通过另一个偏振器，也就是说，两个光子要么全通过，要么就全不通过。为了防止两个光子彼此发生这种关联态间的信号联系，需要加大两个偏振器间的距离，这是实验的关键。他们使偏振器P与光源S的距离增加到了6米，在两个光子分别到达偏振器的那一刻，它们要想发生信号联系，最快的光信号至少需要40纳秒，即40亿分之一秒，然而在它们之间相距12米的情况下，即使它们用光信号，也是不可能发生联系的。为了控制入射的是单个光子，还得再装设一个开关，允许在一定的时间间隔内，一次只允许一个光子进入。后来，为了验证爱因斯坦对量子力学理论“非局域性”挑战的正确与否，他们把两个偏振片之间的距离增加到13米，此外，他又采用了声光调制器控制的量子开关，使偏振片可以迅速地移入或移出，其中的时间间隔恰好是光传输这13米的时间，即43纳秒，即4.3×10-8秒。阿斯佩设计量子开关时间是6.7到13.3纳秒，这样就排除了两个光子在进入开关前有相互联系的可能。为了消除实验的系统误差，他们还采用了光子双通道的方案，使光子先经过一道闸门K，然后进入偏振片，K可以改变光子的方向，引导它去向两个不同的方向。最后把四个通道的测量数据汇总到监测器D中进行复核处理。

图9

阿斯佩实验组的实验思想之精巧，设计之精密，设备器材之精良堪称一绝，使同业人无不赞叹。最后，他的结果以非常高的精度验证了贝尔的预言，最终证实了两个纠缠粒子状态间的关联不需要时间，量子力学规律是“非局域性”的，这一结果也成为阿斯佩的博士论文［44］。1983年，在阿斯佩的博士论文答辩会上，贝尔亲自到场，考察了阿斯佩的实验，对他的这一成果赞叹不止。［45］

阿斯佩研究组的这一成功具有很特殊的意义，它不仅不容置疑地证实了量子力学的“非局域性”，实验本身也具有开创性，使巴黎大学在以后十几年中，始终成为量子力学实验领域的中心。多年以后，当阿斯佩回忆起他们在20世纪80年代所完成的这一系列实验时，不无自豪地说：“在那一时期，我们所做的这些事意味着什么，还不被人所熟知，但是我们的工作引起了人们的注意，这是使我们感到自豪的事。”［46］