当时的困境
1964 年贝尔写出那条不等式之后,问题在原则上已经解决:只要测出足够强的关联,局域实在论就被排除。可这件事整整八年没有人做。
一部分原因是没人在意。贝尔的论文登在一份刚创刊、后来停办的小刊物上,最初几年几乎无人引用。多数人觉得量子力学反正一直算得对,纠缠再古怪也不影响干活。
另一部分原因是真难。要检验它,你得有一个稳定的纠缠粒子源、两台能在多个角度上高效分析偏振的仪器、以及能把相隔几米的两次探测配成一对的符合电路;还得在不同角度组合上反复扫描。贝尔的原始不等式更麻烦:它假定完美的关联,而任何真实仪器都做不到。
1969 年,克劳泽、霍恩、希莫尼与霍尔特把它改写成 CHSH 形式:不需要完美关联,只需要四组关联的一个组合超过 2。判据这才落到了地面上。
还有第三个障碍,与仪器无关:做这个题目对职业生涯有害。克劳泽后来说,整个系都告诉他这是发疯;他去找费曼谈,被直接请出办公室——对方觉得,居然有人怀疑量子力学的预言会出错,这想法本身就冒犯。
洞见时刻
第一台机器是捡来的。
伯克利的实验室里留着一套装置:科赫尔与康明斯 1967 年用它研究钙原子级联辐射发出的成对光子,人已经离开,设备还在。克劳泽 1969 年到伯克利做博士后,名义课题是射电天文;汤斯出面斡旋,谈成一个安排——他可以拿一半时间做贝尔实验,康明斯的博士生弗里德曼跟他一起。
没有经费。两人从头造设备,在金工车间里切铁皮,去物理系储藏室里翻别人扔下的旧货。他们把科赫尔装置里效率最差的一环——偏振片——换成堆板式的,这样才能在多个角度上取到足够的计数。改造花了两年,取数约两百小时,两台探测器相距五米。
结果是 ,越过判据六个标准差。局域实在论输了。克劳泽本人希望的恰恰是相反的结果。
接下来的十年是补漏洞。贝尔最担心的一条是:两边的测量方向都是事先摆好的,原则上有充足的时间互通消息。阿斯佩 1982 年在奥赛把两台分析器拉开 12 米——光子飞到任一端要 40 纳秒——并用超声驻波做成的声光开关,每约 10 纳秒把光子随机甩进不同通道。选择发生在飞行途中,消息即使以光速也赶不到。
1998 年,蔡林格小组把距离拉到 400 米,并改用真正的量子随机数发生器决定测量方向。贝尔当年那条前提,至此被严格守住。
涟漪效应
每一次实验都会剩下一个可以钻的空子,于是漏洞清单变成了这一行的路线图:
- 局域性漏洞:两端来不及通气——阿斯佩 1982、蔡林格 1998 关闭。
- 探测效率漏洞:探测器不可能百分之百收到光子,被漏掉的那些原则上可以「串通」制造假象。这个漏洞先在囚禁离子上关闭,因为离子的探测效率接近 1。
- 自由选择漏洞:如果连「测哪个方向」这个选择本身也被某个共同的过去原因决定,推导就不成立。
2015 年,代尔夫特(用相距 1.3 公里的金刚石色心中的电子自旋)、维也纳与 NIST 的几个小组先后同时关掉了局域性与探测效率两个漏洞。2017 年的「宇宙贝尔实验」用两颗遥远类星体的星光决定测量方向,把可能的共同原因推回到几十亿年前;2018 年的「大贝尔实验」则请了十万名志愿者用手动输入产生随机数。自由选择漏洞原则上关不死,但可以被逼得越来越远。
2017 年,「墨子号」卫星在相距 1200 公里的两个地面站之间分发纠缠光子,并在这个尺度上验证了不等式被违反。
而这些实验的真正用处,早就不是「再确认一次量子力学对不对」。器件无关的量子密码学要求通信双方现场检验贝尔不等式:如果窃听者事先设定了结果,关联就会退回经典范围。判据从物理学的裁决工具,变成了工程上的安全凭证。
如果没有它
没有这批实验,纠缠会一直停留在「理论上如此」的位置。
它们做成了三件事。第一,判决:定域实在论被排除,这是关于世界本身的结论,不是关于计算方法的。第二,手艺:产生、操控、测量成对纠缠光子的整套技术,正是后来量子密钥分发、量子隐形传态、量子计算实验的基础工具箱。第三,转变:纠缠从需要被解释的怪现象,变成了可以被使用的资源。
2022 年的诺贝尔物理学奖颁给克劳泽、阿斯佩与蔡林格。贝尔本人 1990 年去世,没等到无漏洞实验,也没等到这个奖。