在實務上用光子驗證「量子糾纏」現象

更新 發佈閱讀 3 分鐘

在實務上驗證量子糾纏,最經典且公認的方法是進行 「貝爾測試」(Bell Test)。這個實驗的核心邏輯是:如果世界遵循古典物理(局域現實主義),那麼兩個粒子的測量結果相關性會有一個上限;如果實驗結果超過這個上限,就證明了量子糾纏的真實性。

目前實驗室中最常用的工具是 光子(Photons)。以下是實務操作的四個關鍵步驟:


1. 製備糾纏光子對:SPDC 技術

首先,你需要一對「心靈相通」的光子。

  • 工具: 非線性光學晶體(例如 BBO 晶體)。
  • 過程: 使用一束高能量的雷射(泵浦光)照射晶體。透過「自發參量下轉換」(SPDC)過程,一個高能光子會有機率分裂成兩個低能光子。
  • 結果: 這對光子在動量、頻率以及最關鍵的偏振方向(Polarization)上會處於糾纏態。例如,它們可能處於「要嘛都是垂直偏振,要嘛都是水平偏振」的疊加態中。

2. 分離並傳送光子

這對光子會朝不同方向飛出,我們將其稱為光子 A 和光子 B。

  • 實務: 使用光纖或自由空間光學設備,將它們引導至兩個遙遠的偵測站(通常稱為 Alice 和 Bob 站)。
  • 關鍵: 為了排除「通訊漏洞」,Alice 和 Bob 之間的距離必須足夠遠,確保當一個光子被測量時,任何信息(即使以光速傳播)都來不及傳到另一邊。

3. 設置隨機的測量角度

這是貝爾測試中最天才的部分。Alice 和 Bob 各自擁有一台偏振片(Polarizer)。

  • 操作: 他們不會只測量水平或垂直,而是會隨機切換偏振片的角度(例如 45、22.5 等)。
  • 觀測: 每個偵測站後面都有一個單光子偵測器。如果光子穿過偏振片,偵測器會「喀噠」一聲計數。

4. 數據統計與「違反不等式」

實驗結束後,研究員會比對兩邊的數據:

  1. 符合計數(Coincidence): 統計 Alice 和 Bob 同時偵測到光子的機率。
  2. 計算 S 值: 根據 CHSH 不等式(貝爾不等式的一種常用形式),將不同角度組合下的相關性帶入公式計算。
  3. 判定標準: * 如果 S<2,代表這是古典物理可以解釋的。如果 S > 2(實驗中通常能達到 2.8 左右),則代表違反了貝爾不等式。

為什麼這能驗證糾纏?

如果這對光子像兩顆事先塗好顏色的球(古典隱變數),無論你怎麼轉動偏振片,它們的相關性都不會超過 2。但量子糾纏的光子在被測量那一刻才「決定」狀態,且這種決定是瞬時跨空間同步的,這種超強的關聯性讓 S 值衝破了 2 的界限。

2022 年的諾貝爾物理學獎正是頒給了三位在這個領域做出卓越貢獻的科學家(Aspect, Clauser, Zeilinger),因為他們完美地堵住了實驗中的所有漏洞。

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sirius數字沙龍
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