量子糾纏的實驗驗證過程

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量子糾纏的實驗驗證過程主要圍繞貝爾不等式測試。以下是幾個關鍵實驗的過程說明,這些實驗逐步排除了量子糾纏的疑慮,並支持了量子力學的預測。


1. 克勞瑟-弗里德曼實驗(1972年)

實驗概念:該實驗基於愛因斯坦、波多爾斯基和羅森(EPR)在1935年提出的思想實驗,稱為EPR佯謬,提出糾纏可能存在「隱變數」,即隱藏在量子系統中的未知變量來解釋量子糾纏現象。貝爾不等式則被提出來檢測隱變數理論是否成立。


實驗步驟:

產生一對糾纏光子,兩光子具有相反的偏振狀態。

兩個偏振探測器分別測量這對光子在不同角度下的偏振。

比較兩光子偏振測量結果之間的關聯性,看是否符合貝爾不等式的預測。


結果:克勞瑟和弗里德曼的實驗結果顯示,測得的光子偏振之間的關聯性超過了貝爾不等式的限制,即排除了隱變數理論的解釋範圍。這表明量子糾纏現象真實存在。


2. 阿斯佩實驗(1982年)


實驗背景:阿蘭·阿斯佩(Alain Aspect)進行了更精確的測試,改進了克勞瑟實驗的設計,解決了一些可能的實驗漏洞。


實驗過程:

利用鈣原子發出一對糾纏光子,通過光纖傳送到兩個相距較遠的探測器。


在每次測量中,隨機改變探測器的角度,以防測量裝置與光子之間有任何「預先協調」的隱變數影響。


記錄每個光子到達探測器後的偏振測量結果,並檢查它們之間的相關性。


結果:阿斯佩實驗進一步驗證了量子糾纏現象,排除了測量設備可能干擾實驗結果的可能性。實驗數據符合量子力學的預測,並違反了貝爾不等式,再次排除了隱變數理論。


3. 漏洞無關的貝爾測試(2015年)

隨著技術進步,物理學家在2015年進行了所謂的「漏洞無關」(loophole-free)的貝爾測試,這些實驗進一步排除了實驗設計中的潛在漏洞,確保實驗結果的可靠性。


實驗步驟:

使用量子糾纏的電子或光子對進行測量。


在測量過程中隨機選擇測量角度,並盡量增大探測器之間的距離,以確保在一對光子測量之間無法傳遞任何訊息。


嚴格限制測量時間,使得光子在被測量前無法與另一光子進行任何形式的交流。



結果:漏洞無關的貝爾測試顯示,測量結果仍然違反了貝爾不等式的預測,支持量子力學的糾纏現象,且排除了任何可能的實驗漏洞。這些實驗使得科學界幾乎確信量子糾纏現象是真實存在的。


總結

這些實驗證明了量子糾纏的真實性。貝爾不等式被違反的實驗結果表明,量子系統中的糾纏粒子確實具有一種非經典的關聯性。這些實驗排除了隱變數的解釋,使得量子糾纏成為量子力學的重要基石。


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