我的新文章《光子的量子纠缠：第一次实验，1964-67》旨在传达一个深入未知领域的小型研究项目的精神。这篇文章打破了传统，因为它提供了实验策略和挑战的第一人称叙述，以及对最终结果及其意义的解释。在这篇客座社论中，我将介绍这个主题，并试图阐明“什么是悖论”这个问题。
让我们从我八岁时从一家出售新奇和魔术的商店购买的陀螺仪开始。支撑在轴的一端的旋转盘没有掉落，而是在水平面上缓慢地移动。这种行为在排除陀螺仪的普通经验背景下似乎神秘或自相矛盾，但在牛顿力学的背景下完全有意义，牛顿力学通过精确预测陀螺仪的行为方式来解决悖论。
1920 年代中期构思的量子理论在解释原子和分子的性质和相互作用方面取得了令人印象深刻的成功。1935 年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森通过一个思想实验引发了争议，在该实验中，两个共同起源的粒子分开，并指出量子理论预测了它们自旋的后续测量中的相关性。这种相关性似乎相当令人费解，因为对其中一个粒子的测量似乎会影响对另一个粒子的后续测量，即使这些粒子没有相互作用。
在当前的术语中，这些相关性是纠缠的一个例子，这种相关性现象被称为 EPR 悖论。这个谜题已经成为一个讨论和分析的话题，特别是因为过去（现在）没有已知的测量相互通信的机制。
解开纠缠1964 年，我对这种不熟悉的效应很感兴趣，并开始思考一种通过观察相关性和纠缠来实际进行 EPR 实验的方法——或者至少是它的一个版本。这将是一个可以在小型实验室中设置的低能量实验。
对于此处概述的实验，感兴趣的粒子是可见光光子，它们不相互作用，由激发的钙原子在两阶段自发发射过程中发射。光子的偏振态与其自旋有关，可以用普通的线性偏振器简单地测量。光电倍增管探测器对单个光子 #1（绿色）和 #2（紫色）进行计数，定时电路能够识别来自同一原子的光子对。每个探测器前面都安装了一个可旋转的线性偏振器。
用最简单的话来说，该实验涉及计算检测到光子对的速率，作为偏振器方向的函数。从同一原子检测到的光子对被记录为“重合计数”。
量子理论做出以下预测：
每个光子单独拍摄，无论其方向角如何，都有 50% 的机会通过其偏振器传输。如果偏振器轴平行，则来自同一原子的两个光子都可以穿过它们的偏振器并被计数。将遵守重合计数。如果偏振器轴是垂直的，则两个光子都不会穿过它们的偏振器。因此，不会观察到任何重合计数。预测 #1 和 #2 并不奇怪，因为绿色和紫色光束是非偏振的。
预测 #3 在我的文章中进一步讨论，是一种在经典（非量子）物理学中没有类似物的量子纠缠效应。它特别有趣，因为它可以通过实验进行测试。我专门为此目的设计了这个实验。
经过近三年的实验室努力，实验结果清楚地表明，如果偏振器轴平行，则记录重合计数，如果偏振镜垂直，则不会记录重合。理论与实验之间的一致性是明确而引人注目的。
那么，是否存在悖论呢？在我们对陀螺仪的简要讨论中，没有承认任何悖论，因为牛顿理论（经典动力学）完全解释了陀螺仪是如何移动的。此外，该理论和观察到的陀螺仪行为都与我们的生活经验和掌握古典领域自然过程的直觉能力相兼容。
在纠缠情况下，量子理论解释了观察到的光子偏振的相关性。但是，即使一个理论预测了实验结果，如果直觉无法伸出手来与之建立联系，那么悖论也可能仍然存在。
再看看上面的预测 #1 和 #3。如果我们借鉴我们在非量子世界中的生活经验，当偏振器以 90 度“交叉”时，我们可能会注意到一些非常奇怪的事情。如果每个光子都有 50% 的机会通过其偏振器传输，为什么我们没有 25% 的时间得到巧合呢？相反，我们根本没有观察到任何事情。
乍一看，这似乎确实是一个悖论。一种可能的解释可能涉及量子理论中缺失的组成部分——也许是一种允许一个光子或一个测量与另一个通信的因果机制。然而，尽管进行了广泛的研究，但没有发现这种机制的证据。
由于我们并不生活在一个明显的量子世界中，经典现象可能会影响我们的思维过程——即使我们冒险进入量子领域也是如此。因此，将纠缠同化到直觉中可能仍然是一个挑战。我相信，当进一步的思考和经验（例如这里考虑的实验）“伸展思想”以更充分地接受纠缠和其他量子现象时，这个悖论至少可以部分解决。
我开始将自然界的这些方面视为 “奇异的美妙”。
更多信息：光子的量子纠缠：第一次实验，1964-67 年，量子科学与技术前沿（2024 年）。DOI： 10.3389/frqst.2024.1451239
