量子糾纏是如何揭示詭異的量子世界的

1935

「荒謬，上帝不會擲骰子。」阿爾伯特·愛因斯坦停下了手中的筆，注視著書桌上的手稿，倒吸了一口氣，似乎想要發洩一下對自己老對手玻爾的不滿，但他沒有。愛因斯坦起身來到窗前望著天空說到：「這是一種鬼魅般的超距作用。」當時愛因斯坦為擺脫納粹的迫害而出走德國並於百慕達的短期旅行途中申請在美國的永久居住權。時年5月，愛因斯坦聯合鮑裡斯·波多爾斯基（Boris Podolsky）和內森·羅森（Nathan Rosen）發表了題為《能認為量子力學對物理世界的描述是完備的嗎？》的論文試圖反駁玻爾等人對量子糾纏現象的解釋。這篇論文中提出的觀點被稱為EPR悖論或者EPR佯謬。他們的觀點基於兩個假設前提。首先，如果一個測量結果可以被準確預言，那麼一定存在某個屬性與之對應，愛因斯坦稱其為「實在要素」。第二，事件之間的影響速度不能超越光速。如果有兩個糾纏電子被放置在宇宙兩端，分別由喵星人湯姆和鼠星人傑瑞測量其自旋。如果湯姆沿x軸方向測量出電子自旋，由於完美的反向關聯，他將瞬間知道傑瑞沿x軸方向的測量結果。同理，湯姆沿z軸測量出電子自旋的同一時間也會知道傑瑞沿z軸方向的測量結果。那麼問題來了，為了與量子糾纏現象所揭示的反向關聯特性相符合。傑瑞所在位置的電子自旋必須在任何方向都可測量，這就與海森堡不確定性原理相矛盾，因為這個原理告訴我們電子自旋只能在一個方向上擁有確定的數值，在其它方向上一定是模糊的。EPR據此斷言量子理論是不完備的，並提出可能是某種目前還不為人知的理論導致了量子糾纏現象中粒子的模糊特性，物理學家們將其稱為「定域隱變量理論」。

1964

貝爾是歐洲核子研究組織一名粒子加速器設計工程師。他對理論物理特別是量子論研究的痴迷從大學時代一直延續至今，並且自稱是愛因斯坦的忠實粉絲，同時也堅信定域隱變量理論的正確性。這一年貝爾36歲，他像往常一樣將辦公桌上即將完工的設計圖紙收拾整齊準備下班。日內瓦是位於瑞士日內瓦湖西南角的一座優美寧靜的小城，回家路上貝爾回想起去年在這裡與約克教授的那次會面，他們對EPR佯繆展開了深入討論並且為物理學界長期以來針對EPR佯謬的爭論而感到擔憂。因為不管有沒有隱變量，都不影響對最終結果的預言，物理學界對這一問題似乎也沒那麼感興趣了。回到家，貝爾一頭扎進書房，回顧這幾年來的研究成果，他偶然間在手稿中發現了幾組不知道什麼時候寫下的公式，也許是為了演算某個問題，也許是為了熟悉某個定理，他早已忘了當初寫下它們的動機，但此刻貝爾敏銳地察覺到這幾組被他忽視的公式中似乎隱藏著解開未來的鑰匙。如果湯姆和傑瑞測量的方向是某些特定的組合，那麼對於兩人測量結果的關聯，量子理論給出的預測要強於任何一種定域隱變量理論。貝爾告訴人們隱變量理論在某些情況下會給出與量子力學不同的預言，而貝爾不等式的提出為人們提供了實驗驗證的手段。從此之後，人們在貝爾理論的指導下進行了一系列的實驗，實驗結果大部分都違背了貝爾不等式，這表明無法用定域隱變量理論來解釋量子糾纏中的關聯作用。但是由於當時實驗條件的限制，定域性漏洞和探測性漏洞的存在讓實驗結果不能令所有人信服。貝爾也許不會想到自己的工作成果會證明愛因斯坦關於量子論的觀點是錯誤的，這真是一個意外的轉折。

2015

荷蘭代爾夫特理工大學物理實驗室中一群研究人員正在緊張地忙碌著，為了確保萬無一失，研究人員時刻監控著實驗進行的每一個環節。他們設計了第一個關閉所有漏洞的貝爾不等式驗證實驗。在經歷了數次失敗以及夜以繼日的設計完善工作之後，今天或許會迎來最終的勝利。他們將兩個電子的自旋關聯起來並分別放置在不同的實驗室中，隨機產生測量方向並且確保一邊的實驗室測量信息以光速傳過來之前，測量結果已經被寫在硬碟中。這樣就關閉了定域性漏洞。他們首先將電子和光子糾纏起來，然後利用糾纏交換技術以光子為中介將兩個電子關聯起來，只有當兩個電子成功糾纏之後才進行一次貝爾驗證實驗。這樣避免了光子丟失對實驗結果的影響，即關閉了探測性漏洞。在持續數周的實驗之後，結果顯示超出貝爾不等式的限制多達20%，這與量子理論的預言完全相符。

2016

酒泉衛星發射基地，隨著一顆巨大的火球劃破夜空，標誌著我國研製的世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」成功發射升空，並首次實現了千公裡級星地雙向量子糾纏分發，極大推動了關於大尺度量子通信實驗的研究。