探索量子纠缠：开启思维拓展的神秘之旅

我的新文章《光量子的量子纠缠：1964 - 1967 年的首次实验》意在传达一个涉足未知领域的小型研究项目的精神。这篇文章打破了传统，因为它以第一人称讲述了实验的策略和挑战，还对最终结果及其意义进行了解读。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。

咱们先从我八岁时从一家卖新奇玩意儿和魔术道具的商店买的陀螺仪说起。旋转的圆盘，在其轴的一端支撑着，没有掉落，而是在水平面上缓慢地转动。在排除陀螺仪的常见经验背景下，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有意义，牛顿力学通过精确预测陀螺仪的行为方式解决了这个悖论。

20 世纪 20 年代中期构想的量子理论在解释原子和分子的性质和相互作用方面取得了令人瞩目的成功。1935 年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森用一个思想实验引发了争议，在这个实验中，两个同源粒子分开移动，同时指出量子理论预测了它们自旋后续测量中的相关性。这种相关性可能看起来相当令人费解，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，即便粒子之间没有相互作用。

按照当前的术语，这些相关性是纠缠的一个例子，这种相关现象被称为 EPR 悖论。这个谜题已经成为许多讨论和分析的主题，特别是因为当时（现在也是）没有已知的测量相互通信的机制。

1964 年，我被这种不熟悉的效应所吸引，并开始思考一种通过观察相关性和纠缠来实际进行 EPR 实验——或者至少是它的一个版本——的方法。这将是一个可以在小实验室中设置的低能实验。

此处所概述实验中，令人感兴趣的粒子为可见光光子，这些光子是非相互作用的，由处于两阶段自发发射过程中的受激钙原子所发射。

光子的偏振态与其自旋相关，能够通过普通的线性偏振器简便地测量。

简单来讲，该实验关乎计算检测到光子对的速率，此速率是偏振器取向的函数。

量子理论做出以下预测：

预测#1 和#2 并不令人感到惊讶，原因在于绿色和紫色光束是非偏振的。

预测 #3，在我的文章中做了进一步的讨论，是一种在经典（非量子）物理学中没有类似情形的量子纠缠效应。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。

经过在实验室近三年的努力，实验的结果清楚地表明，若偏振器轴平行，就会记录到符合计数；若偏振器垂直，则不会记录到符合计数。理论和实验之间的一致性是明确且显著的。

在我们关于陀螺仪的简短讨论中，未承认存在悖论，因为牛顿理论（经典动力学）完整地解释了陀螺仪如何运动。此外，理论和观察到的陀螺仪行为均与我们的生活经验以及在经典领域中理解自然过程的直觉能力相符。

在纠缠的情况下，量子理论解释了所观察到的光子偏振的相关性。但是，即使一个理论预测了实验结果，如果直觉无法与之联系起来，悖论可能仍然存在。

再看一下上面的预测 #1 和 #3。如果我们借鉴在非量子世界中的生活经验，当偏振器以 90 度交叉时，我们可能会注意到一些非常奇怪的事情。如果每个光子通过其偏振器有 50％的传输机会，为什么我们不是有 25％的时间能得到重合？相反，我们根本没有观察到任何重合。

乍一看，这似乎的确称得上是一个悖论。一种可能的解释或许涉及量子理论中缺失的一个组成部分——也许是一种因果机制，它能够允许一个光子或一次测量与另一个相互通信。然而，尽管进行了广泛的研究，但没有找到这种机制的证据。

由于我们并非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——即使当我们涉足量子领域时也是如此。因此，把纠缠纳入直觉可能依旧是一个挑战。我相信，当有进一步的思考和经验，比如这里所考虑的实验，“拓展思维”从而更充分地接受纠缠和其他量子现象时，这个悖论至少可以部分得到解决。

我开始将自然界的这些方面视为“奇异而美妙”。