探索量子糾纏：開啓思維拓展的神秘之旅

我的新文章《光量子的量子糾纏：1964 - 1967 年的首次實驗》意在傳達一個涉足未知領域的小型研究項目的精神。這篇文章打破了傳統，因爲它以第一人稱講述了實驗的策略和挑戰，還對最終結果及其意義進行了解讀。在這篇客座社論中，我將介紹這個主題，並試圖闡明“什麼是悖論？”這個問題。

咱們先從我八歲時從一家賣新奇玩意兒和魔術道具的商店買的陀螺儀說起。旋轉的圓盤，在其軸的一端支撐着，沒有掉落，而是在水平面上緩慢地轉動。在排除陀螺儀的常見經驗背景下，這種行爲似乎很神秘或自相矛盾，但在牛頓力學的背景下卻完全有意義，牛頓力學通過精確預測陀螺儀的行爲方式解決了這個悖論。

20 世紀 20 年代中期構想的量子理論在解釋原子和分子的性質和相互作用方面取得了令人矚目的成功。1935 年，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森用一個思想實驗引發了爭議，在這個實驗中，兩個同源粒子分開移動，同時指出量子理論預測了它們自旋後續測量中的相關性。這種相關性可能看起來相當令人費解，因爲對其中一個粒子的測量似乎會影響對另一個粒子的後續測量，即便粒子之間沒有相互作用。

按照當前的術語，這些相關性是糾纏的一個例子，這種相關現象被稱爲 EPR 悖論。這個謎題已經成爲許多討論和分析的主題，特別是因爲當時（現在也是）沒有已知的測量相互通信的機制。

1964 年，我被這種不熟悉的效應所吸引，並開始思考一種通過觀察相關性和糾纏來實際進行 EPR 實驗——或者至少是它的一個版本——的方法。這將是一個可以在小實驗室中設置的低能實驗。

此處所概述實驗中，令人感興趣的粒子爲可見光光子，這些光子是非相互作用的，由處於兩階段自發發射過程中的受激鈣原子所發射。

光子的偏振態與其自旋相關，能夠通過普通的線性偏振器簡便地測量。

簡單來講，該實驗關乎計算檢測到光子對的速率，此速率是偏振器取向的函數。

量子理論做出以下預測：

預測#1 和#2 並不令人感到驚訝，原因在於綠色和紫色光束是非偏振的。

預測 #3，在我的文章中做了進一步的討論，是一種在經典（非量子）物理學中沒有類似情形的量子糾纏效應。它特別有趣，因爲它可以通過實驗進行測試。我專門爲此設計了實驗。

經過在實驗室近三年的努力，實驗的結果清楚地表明，若偏振器軸平行，就會記錄到符合計數；若偏振器垂直，則不會記錄到符合計數。理論和實驗之間的一致性是明確且顯著的。

在我們關於陀螺儀的簡短討論中，未承認存在悖論，因爲牛頓理論（經典動力學）完整地解釋了陀螺儀如何運動。此外，理論和觀察到的陀螺儀行爲均與我們的生活經驗以及在經典領域中理解自然過程的直覺能力相符。

在糾纏的情況下，量子理論解釋了所觀察到的光子偏振的相關性。但是，即使一個理論預測了實驗結果，如果直覺無法與之聯繫起來，悖論可能仍然存在。

再看一下上面的預測 #1 和 #3。如果我們借鑑在非量子世界中的生活經驗，當偏振器以 90 度交叉時，我們可能會注意到一些非常奇怪的事情。如果每個光子通過其偏振器有 50％的傳輸機會，爲什麼我們不是有 25％的時間能得到重合？相反，我們根本沒有觀察到任何重合。

乍一看，這似乎的確稱得上是一個悖論。一種可能的解釋或許涉及量子理論中缺失的一個組成部分——也許是一種因果機制，它能夠允許一個光子或一次測量與另一個相互通信。然而，儘管進行了廣泛的研究，但沒有找到這種機制的證據。

由於我們並非生活在一個明顯的量子世界中，經典現象可能會影響我們的思維過程——即使當我們涉足量子領域時也是如此。因此，把糾纏納入直覺可能依舊是一個挑戰。我相信，當有進一步的思考和經驗，比如這裡所考慮的實驗，“拓展思維”從而更充分地接受糾纏和其他量子現象時，這個悖論至少可以部分得到解決。

我開始將自然界的這些方面視爲“奇異而美妙”。