卡尔·科赫通过实验证据揭示了量子纠缠的奥秘，挑战了经典物理学，并丰富了我们对量子悖论的理解。

量子纠缠可能很难理解，但人们认为它是未来量子信息技术应用的关键。在这篇客座社论中，卡尔·科赫教授受到他在《量子科学与技术前沿》杂志上发表的新文章的启发，解释了他在1964年至1967年间进行的开创性的量子纠缠实验，并帮助我们拓宽思维去理解这个看似矛盾的现象。

我的新文章《光学光子的量子纠缠：第一次实验，1964-1967》旨在传达一项小型研究项目深入未知领域的精神。这篇文章打破了传统，它提供了关于实验策略和挑战的第一人称叙述，以及对最终结果的解释及其意义。在本篇客座社论中，我将介绍这个主题，并尝试阐明“什么是悖论？”的问题。

陀螺仪的类比与量子谜题

让我们从我在八岁时从一家出售新奇事物和魔术道具的商店购买的陀螺仪开始。旋转的圆盘，在其轴的一端被支撑，并没有落下，而是在水平面上慢慢移动。在排除陀螺仪的普遍经验背景下，这种行为似乎很神秘或自相矛盾，但在牛顿力学的背景下却完全合乎逻辑，牛顿力学通过精确预测陀螺仪将如何表现来消除悖论。

量子理论诞生于20世纪20年代中期，它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，在这个实验中，两个来自同一来源的粒子分开移动，他们指出量子理论预测了它们自旋的后续测量中的相关性。这种相关性可能看起来相当令人困惑，因为对一个粒子的测量似乎会影响另一个粒子的后续测量，即使这两个粒子没有相互作用。用现在的术语来说，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。这个难题已经成为许多讨论和分析的主题，特别是因为当时（和现在）没有已知的机制来使测量之间相互通信。

纠缠实验

1964年，我被这种陌生的效果所吸引，开始思考如何真正地进行EPR实验——或者至少是其中的一个版本——来观察相关性和纠缠。这将是一个可以在小型实验室中设置的低能实验。

对于此处概述的实验，感兴趣的粒子是可见光光子，这些光子在双阶段自发发射过程中由激发态的钙原子发射，且彼此之间不发生相互作用。光子的偏振态与其自旋有关，可以通过普通的线性偏振器简单地测量。光电倍增器探测器对单个光子#1（绿色）和#2（紫色）进行计数，定时电路可以识别来自同一个原子的光子对。在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，这个实验涉及计算光子对检测率，这是偏振器方向的一个函数。从同一原子检测到的光子对被记录为“符合计数”。

测试量子预测

量子理论做出了以下预测：

预测 #1 和 #2 并不奇怪，因为绿色和紫色的光束光是非极化的。

我在文章中进一步讨论的第三个预测是量子纠缠效应，这在经典（非量子）物理学中没有类似的现象。它特别有趣，因为可以通过实验进行验证。我特意为此设计了实验。

经过近三年的实验室努力，实验的结果清楚地表明，如果偏振器轴平行，则会记录到符合计数，而如果偏振器垂直，则不会记录到符合。理论与实验之间的一致性是明确且显著的。

量子观测中的悖论

在我们对陀螺仪的简短讨论中，并没有承认任何悖论，因为牛顿的理论（经典动力学）完全解释了陀螺仪是如何运动的。此外，该理论与观察到的陀螺仪行为都与我们的生活经验和在经典领域把握自然过程的直观能力相兼容。

在纠缠的情况下，量子理论解释了观察到的光子极化的相关性。但是，即使一个理论能够预测实验结果，如果直觉无法与之建立联系，那么悖论仍然可能存在。

再回顾一下上面的预测#1和#3。如果我们借鉴非量子世界的生活经验，我们可能会注意到一个非常奇怪的现象，那就是当偏振器“交叉”成90度时。如果每个光子有50%的机会通过其偏振器，为什么我们不在25%的时间里得到巧合呢？然而，我们观察到根本没有。乍一看，这确实可以被视为一个悖论。一个可能的解释可能涉及量子理论中缺失的一个组成部分——也许是一个因果机制，允许一个光子或一个测量与另一个光子或测量进行通信。然而，尽管进行了广泛的研究，但尚未发现这种机制的证据。

拥抱量子世界

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——即使我们涉足量子领域。因此，将纠缠融入直觉可能仍然是一个挑战。我相信，当进一步思考和实验（如本文所考虑的实验）这样的经验“拓宽思维”以更全面地接受纠缠和其他量子现象时，悖论至少可以得到部分解决。

我渐渐地将这些自然现象视为“奇妙无比”。

参考：“光学光子的量子纠缠：首次实验，1964-1967”，Carl A. Kocher，2024年7月1日，《量子科学与技术前沿》。DOI：10.3389/frqst.2024.1451239

卡尔·科彻教授是加州大学圣塔芭芭拉分校量子铸造厂(Quantum Foundry)的成员，也是俄勒冈州立大学的荣誉教授。