物理群星
1972 量子力学

贝尔实验

The Bell Test Experiments

贝尔把哲学问题变成了实验题,但没人愿意做——直到一个想推翻量子力学的年轻人,用储藏室里翻出来的旧零件,数了两百小时的光子。

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 δ=0.050±0.008\delta = 0.050 \pm 0.008,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。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.克劳泽、霍恩、希莫尼与霍尔特《检验局域隐变量理论的实验方案》,《物理评论快报》第 23 卷第 880 页(1969)——CHSH 形式
  2. 2.科赫尔与康明斯《原子级联辐射光子的偏振关联》,《物理评论快报》第 18 卷第 575 页(1967)——被改造利用的那台装置
  3. 3.弗里德曼与克劳泽《局域隐变量理论的实验检验》,《物理评论快报》第 28 卷第 938 页(1972)
  4. 4.阿斯佩、达利巴与罗歇《用随时间变化的分析器检验贝尔不等式》,《物理评论快报》第 49 卷第 1804 页(1982)
  5. 5.魏斯、耶内魏因、西蒙、魏因富特与蔡林格《严格爱因斯坦定域性条件下贝尔不等式的违反》,《物理评论快报》第 81 卷第 5039 页(1998)
  6. 6.亨森等《用相距 1.3 公里的电子自旋实现无漏洞的贝尔不等式违反》,《自然》第 526 卷第 682 页(2015)
  7. 7.印娟等《相距 1200 公里的星地纠缠分发》,《科学》第 356 卷第 1140 页(2017)