在一项近期发表于《科学·进展》的研究中,英国格拉斯哥大学的物理学家保罗-安托万·莫罗(Paul-Antoine Moreau)带领团队首次拍摄到量子纠缠的照片。终于,人类第一次亲眼看见这种“幽灵般的超距作用”。
1935年,在普林斯顿高等研究院,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)与鲍里斯·波多尔斯基(Boris Podolsky)、纳森·罗森(Nathan Rosen)共同提出了EPR悖论。这个悖论显示,在量子力学中,两个相互作用的粒子,无论相隔多远(理论上这个距离可以比银河系直径还大),其量子状态仍能“纠缠”在一起,共享同一个整体的物理状态。
这种超距的量子关联被称为量子纠缠,也被爱因斯坦称为“幽灵般的超距作用”。
1965年,当时在欧洲核子中心研究高能物理的年轻研究人员约翰·贝尔(John Bell)发表论文指出,对于EPR悖论,其实是可以做实验来验证的。对于量子纠缠的两个粒子来说,量子力学得到的统计关联性结果比定域性隐变量理论要强很多。因此,实验是可以分辨出这两种理论的。
在文章中,贝尔给出了一个不等式来说明,如果用S来表示两个粒子的统计关联的程度,那么:若S = 2,说明没有量子纠缠;若 2 < S < 2 3/2 ,则说明存在量子纠缠。
格拉斯哥大学的研究人员使用的是光子。他们设计了一个实验系统:一个波长为355纳米的紫外光子通过了偏硼酸钡(BBO)晶体后,变成了两个710纳米的红光光子。随后,他们使用分束器让这两个波长为710纳米的光子分离,它们各自沿着光学系统中的两条不同的光路传播。这两条光路的长度不一样,因此可以调节两个光子达到探测器的时间差。这两个分道扬镳的光子,就是一对纠缠光子。
在最新研究中,格拉斯哥大学的实验装置相当于一台超灵敏的照相机,能够探测单个光子。具体来说,一对光子被分束器(上图中的BS)分离,分别沿着两条路线传播。其中,第一个光子经过空间光调制器(SLM 1),被光纤收集后,继而被单光子探测器(SPAD)探测到。另一个光子经过分束器折射后,沿着另一条光路传播,通过了放置在BBO晶体的傅里叶平面的SLM 2。
然后,这个光子会通过一段20米长的延迟线(Delay line),最终被增强型电荷耦合检测器(ICCD)相机检测到。
格拉斯哥大学的物理学家成功拍摄到量子纠缠的照片,而且他们的实验得到的贝尔不等式相关参数 S = 2.443。但很明显,2.443这个数字是大于2的,这无疑再次说明了,量子纠缠是真实存在的。