研究人员探索如何拓展思维来理解量子纠缠
我的新文章《光子的量子纠缠：第一次实验，1964-67》旨在传达一个小型研究项目的精神，该项目探索了未知领域。这篇文章打破了传统，以第一人称叙述了实验的策略和挑战，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。让我们从我八岁时在一家销售新奇玩意和魔术的商店买的陀螺仪开始说起。旋转的圆盘由轴的一端支撑，它没有掉落，而是在水平面上缓慢移动。这种行为在排除陀螺仪的常识背景下似乎很神秘或自相矛盾，但在牛顿力学的背景下却完全合理，牛顿力学通过精确预测陀螺仪的行为解决了这个悖论。
量子理论诞生于 20 世纪 20 年代中期，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、波多尔斯基和罗森提出了一个思想实验，该实验中两个同源粒子会分开，并指出量子理论预测了随后测量它们自旋时的相关性。这种相关性似乎令人费解，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，即使粒子之间没有相互作用。
用现在的术语来说，这些关联是纠缠的一个例子，关联现象被称为 EPR 悖论。这个难题已经成为许多讨论和分析的主题，特别是因为过去（现在）没有已知的机制让测量相互沟通。
解开纠缠
1964 年，我对这种陌生的效应产生了浓厚的兴趣，并开始思考如何通过观察关联和纠缠来实际进行 EPR 实验（或至少是 EPR 实验的一个版本）。这将是一项可以在小型实验室中进行的低能量实验。
对于本文概述的实验，感兴趣的粒子是可见光光子，它们不相互作用，由受激钙原子在两阶段自发发射过程中发射。光子的偏振状态与其自旋有关，可以用普通的线性偏振器简单地测量。光电倍增管探测器计数单个光子，#1（绿色）和#2（紫色），定时电路可以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。
简单来说，该实验涉及计算检测到光子对的速率，该速率是偏振器方向的函数。从同一原子检测到的光子对被记录为“巧合计数”。
量子理论做出以下预测：
每个光子单独拍摄时，都有 50% 的机会通过其偏振器，无论其方向角如何。
如果偏振器轴平行，来自同一原子的两个光子均可穿过其偏振器并被计数。将观察到巧合计数。
如果偏振器轴垂直，则两个光子绝不可能同时穿过各自的偏振器。因此，不会观察到任何巧合计数。
预测 1 和 2 并不令人惊讶，因为绿色和紫色光束是非偏振的。
预测 3 是我在文章中进一步讨论的，它是一种量子纠缠效应，在经典（非量子）物理学中没有类似的效应。它特别有趣，因为它可以通过实验进行测试。我专门为此设计了实验。
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，则会记录巧合计数，如果偏振器轴垂直，则不会记录巧合。理论和实验之间的一致性是明确且惊人的。
那么，是否存在悖论？
在我们对陀螺仪的简短讨论中，我们并未承认任何悖论，因为牛顿理论（经典动力学）充分解释了陀螺仪的运动方式。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在经典领域中掌握自然过程的直觉能力相一致。
在纠缠情况下，量子理论可以解释光子偏振的观测相关性。但即使理论可以预测实验结果，如果直觉无法与之联系起来，悖论仍可能存在。
再看看上面的预测 #1 和 #3。如果我们借鉴在非量子世界中的生活经验，我们可能会注意到当偏振器以 90 度“交叉”时会出现一些非常奇怪的现象。如果每个光子通过其偏振器的几率为 50% ，为什么我们没有在 25% 的时间内获得巧合？相反，我们根本观察不到任何巧合。
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一个部分——也许是一种因果机制，可以让一个光子或一个测量值与另一个光子或测量值进行通信。然而，尽管进行了广泛的研究，但没有发现这种机制存在的证据。
由于我们并不生活在一个明显的量子世界，即使我们进入量子领域，经典现象也可能影响我们的思维过程。因此，将纠缠融入直觉可能仍然是一个挑战。我相信，当进一步的思考和经验（例如本文考虑的实验）“拓展思维”以更全面地接受纠缠和其他量子现象时，这个悖论至少可以得到部分解决。
我开始将大自然的这些方面视为“奇妙而又奇妙的”。
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