量子纠缠态的其他实验

更新于 2026年10月12日 版权声明
量子纠缠态的其他实验

在阿斯佩实验成功的鼓舞下,从20世纪80年代起,世界各地的纠缠态实验如雨后春笋般地发展起来,为量子力学的基础性研究打下了坚实的基础。这些实验都成功地证实了量子纠缠态的真实性,也证实了量子纠缠关联的“非局域性”。在阿斯佩实验中,所采用的“自发参量下转换法”(spontaneous parametric down-conversion)更独具开创性,这种方法被后人简称为“SPDC”技术。实验证明,在量子纠缠研究上,这种方法非常有效,而这种方法最初是由著名物理学家曼德尔(Mandel)提出的。

曼德尔1927年生于柏林,早年随全家移居英国。1951年在伦敦大学获得物理学博士学位,成为伦敦大学皇家学院的物理学讲师。1964年,曼德尔受邀进入美国纽约州罗切斯特大学研究宇宙射线,经过几年对宇宙射线高能粒子的研究,他逐渐成为光学与量子力学熟练的理论研究者。从20世纪70年代开始,他逐渐接触光学和量子力学效应的相关实验,到了20世纪80年代,他与同事开始使用激光SPDC技术,形成了纠缠光子。到了20世纪80年代末,他们也成功地证实了纠缠现象。这一结果发表在美国《物理评论通讯》上。[47]

在纠缠态的实验研究中,特别值得一提的是著名的“三体纠缠”小组,这个研究组不仅由三人组成,而且所研究的课题是更为复杂的量子“三体纠缠”现象。

研究组的三个人是塞林格、霍恩和格林伯格(Greenberger)。1975年,霍恩参加了麻省理工学院的中子研究组,在此与两位近代实验物理学家格林伯格和塞林格相识,三人决定进一步拓展纠缠现象的研究,设法实现三个粒子间的三重态纠缠现象。这三人如此投缘,以致在当时的物理学界,把他们也称为“三体纠缠”。多年以后,当有人问及此事时,塞林格说:“确有此事,事实上,我们三人如此知交,以致只要其中一人刚要张嘴,其他两人就立刻知道他要说什么,还能立刻把他要说的说出来……”果然,这三个人真如同业者所说,实现了“三体纠缠”![48]

为了他们的成功,人们把“三重纠缠态”研究冠以三人名字的字头,叫做“GHZ”研究。这一研究不仅涉及三个纠缠粒子,还涉及了它们的自旋与偏振态,其难度之高,技术之复杂更是令人叫绝,这也正是它更吸引人之处。除此以外,更值得注意的是,他们的研究结果还表明,贝尔理论并不需要复杂的不等式。

另一例利用SPDC技术实现纠缠光子的是马里兰大学严华(Yan Hua Shih)研究组。他们找到了违反贝尔不等式的案例,证实了量子纠缠态的存在,这一研究直接引发了量子隐形信息传递,即量子通信的研究,使人们看到了利用纠缠实现隔空信息传递的可能性。(https://www.daowen.com)

量子纠缠态研究很自然地导致量子通信的应用前景。最早系统研究纠缠态量子通信的是日内瓦大学的基森研究组。

1952年基森(Gisin)生于日内瓦,在此毕业并进一步获得理论物理学博士学位,他对量子纠缠怀有极大的兴趣。1972年他在欧洲核子中心与贝尔相遇,与贝尔的交流使他意识到,量子纠缠态的研究应该成为量子物理的重大突破点。自那时起,他把研究的重心集中到了量子纠缠态的研究,在研究贝尔理论的基础上,一连发表了数篇论文。以后,他又到美国的罗切斯特大学,与这一课题的数位领衔者,如曼德尔、沃尔夫(Wolf)相遇,并参与了他们的研究课题。回到日内瓦后,他又去工厂工作了4年,这一转变就像阿斯佩当初3年的非洲经历那样,从熟悉的环境转到了陌生的环境,工作性质也发生了大幅度的变换,但是丰富的阅历、实践的经验以及地域和人际的扩展,都为他的未来研究注入了生机。他不仅熟知量子力学理论与实验研究的前沿课题,而且还能把这一课题与光纤方面的实际工作结合起来,同时还受到通信技术部门——当地电话公司的大力协助,这一契机使量子纠缠研究在他的手上获得了新的突破,这一突破是仅拘泥于实验室研究的其他同业所始料不及的。

回到日内瓦以后,基森开始设计量子纠缠实验,并着手进行贝尔不等式测试。在那一时期,也就是到20世纪90年代为止,克劳瑟、弗里德曼、阿斯佩等人已经成功得到了关于贝尔不等式的实验结果,并领先证实了光信号可以在纠缠态之下,以超越光速传递,也就是实现了无信号的遥传。一开始,阿斯佩的实验是在实验室中进行的,后来塞林格把这个传输距离扩展到了数百米,在奥地利街道上穿越了几座楼房的距离,然而到了基森手里,这一研究却有了更具实质性的重大突破。

基森第一次实验就使纠缠光子飞行了35米,但这仍限于实验室内。他对此不满足。由于他与电话公司的关系,使他得以使用光纤,很快有了7英里,即10.9千米的突破。一个信号从光纤的一端到近11千米的另一端,光子做出反应的速度竟然超出光速1千万倍!这个结果在量子纠缠研究中获得压倒优势[49]。它证实了爱因斯坦所不喜欢的“超距幽灵作用”确实存在。不仅再次给出了“非局域性”的支持,也为量子遥传学的实用性研究奠定了基础。

到了20世纪末,量子纠缠现象已经成为不容置疑的事,这一巨大成功,凝聚了量子物理理论界与量子物理实验界众星的成果,其难度之大、经历之艰辛超出了物理学发展的任何一个时期,对物理学乃至整个自然科学及哲学甚至应用技术发展的影响上更是不可估量的。但令人遗憾的是,量子纠缠态的理论、实验及其应用的研究,至今未出诺贝尔奖得主。这一研究的领衔者之一贝尔在1990年因突发脑溢血意外去世,他本人并不知道,就在他去世的当年获得了诺贝尔奖的提名。事实上,2011年,阿斯佩、克劳瑟和塞林格三位量子实验物理学家也曾获得诺贝尔奖提名,但在最后,这项殊荣落到了从事宇宙膨胀理论研究的物理学家头上。阿斯佩等三人用一系列精妙的实验,验证了贝尔不等式上的成果,发展了量子力学的理论,由此扩展了量子纠缠在通信和计算机技术上的应用研究,这些重要的贡献已被学术界所公认。为此,这三人获得2010年度的沃尔沃奖。

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