再回到實驗室中,光的偏振和電子自旋類似這個話題。阿斯派克特用鐳射來激發鈣原子,引起級聯輻射,產生一對往相反方向‘園偏振’的糾纏光子。在上面圖中所示的是線偏振光的情形,而園偏振光可看作是兩個線偏振光的疊加。園偏振光有兩個不同的旋轉方向,這可類比於電子的自旋,因此,之前對自旋糾纏電子對的討論都可以用在極化的糾纏光子對上。
克勞瑟十年前的實驗中沒有使用鐳射,這說起來可能是他的最大遺憾。當年克勞瑟的身邊,就站著鐳射的發明人湯斯。可不知道為什麼,他在實驗中卻沒有使用這個威力強大的武器。也許是因為當時的鐳射不容易使用?也許是當時還沒有波長合適激勵鈣原子的鐳射源?也許是克勞瑟急於求成?無論如何,歷史巨人畢竟已經邁過了十年的步伐,阿斯派克特使用兩個鐳射源激勵鈣原子產生光量子糾纏對,他的這個實驗結果,得到量子力學對貝爾不等式的偏離,達到了9倍的誤差範圍,相對于克勞瑟的5倍誤差範圍,改進了好幾個等級。
貝爾不等式實驗驗證示意圖
用實驗驗證貝爾不等式,其根本目的之一就是要驗證量子力學到底是定域的,還是非定域的?非定域性的意思是說,如果測量糾纏光子對中一個光子的偏振,將會影響到它的孿生兄弟--另一個光子的偏振方向。這種影響的發生,不允許兩個光子之間的任何溝通。換句話說,貝爾不等式體現了定域條件對兩個光子的關聯協作程度的限制。或者說,對他們的邏輯能力的限制。不是嗎?在現實社會中,如果有一對雙胞胎出生後從未見過面的話,即使他們的基因完全一樣,但因為他們是作為兩個不同的個體而存在,他們有完全不同的人生經驗。如果在遠離的兩地,對他們進行各方面的考試測驗的話,他們應該是表現得不那麼緊密相關的。
重要的是,這兩個雙胞胎不能暗地裡互通消息,也不能有出題目的人參與其中共同作弊。否則的話,上面的結論就不能成立了,他們之間被測量出來的關聯程度會大大增加,給人以他們能暫態間傳遞心靈感應的假像。在實驗中也得做到這一點:要保證兩個糾纏光子間沒有交換信號的可能性。阿斯派克特在第三個實驗中,採取延遲決定偏光鏡方向的方法,就是為了保證這點。或者說,他在克勞瑟等人實驗的基礎上,再多加了一道閘門,完全排除了糾纏光子間交換信號的可能性。
這建議是來自于約翰·貝爾。他說,如果你預先就將實驗安排好了,兩個偏振片的角度調好了等在那兒,然後,你從容不迫慢吞吞地開始實驗:用雷射器激發出糾纏光子對,飛向兩邊早就設定了方向的檢偏鏡,兩個光子分別在兩邊被檢測到……。在這整個過程中,光子不是完全有足夠的時間互通消息嗎?即使我們不知道它們是採取何種方法傳遞消息的,但總存在作弊的可能性吧。
要如何才能斷絕兩個雙胞胎考試作弊的可能性呢?起碼,我們能想出的辦法就是‘延遲’出題的時間,最好是等兩個雙胞胎已經分別坐到了兩地的考場上,你再將即時隨機而出的兩套題目分給兩個考官。這樣一來,雙胞胎就沒法互通消息了,即使是最快的電話、電郵也都來不及了。阿斯派克特在實驗中採取的也是這種類似方法,他不預先設定兩個檢偏鏡的角度,而是將這個決定延遲到兩個光子已經從糾纏源飛出,快要最後到達檢偏鏡的那一刻。
當然,阿斯派克特的這種想法還得有實驗室中的可行性。他的兩個檢偏鏡距離糾纏源分別大約6.5米左右。因此,當兩個光子快到檢偏鏡的那一刻,它們之間的距離大約是13米。最快的資訊傳遞速度是光速,光也需要40ns(ns是納秒=10萬萬分之一秒)的時間來走完13米的路程。因此,阿斯派克特發明出了一種基於聲光效應的設備,能使得檢偏鏡在每10ns的時間內旋轉一次。這樣,兩個糾纏光子就不可能有足夠的時間來互相通知對方了。換言之,它們來不及互相了解情況並告知對方:我碰到的檢偏鏡是某某方向的,因此,你也做好準備將偏振調節到某某方向……,它們即使想作弊也來不及了!阿斯派克特的第三個實驗原理如下圖所示:
掃描自:阿斯派克特1982年文章中用以驗證CHSH-貝爾不等式的原圖
中間的S是糾纏光源,I(a)、II(b)等,是10ns旋轉一次方向的檢偏鏡。
四條通道的測量資料匯總到下方的‘符合檢測設備’進行處理。
阿斯派克特的三個實驗大獲成功,被作為是量子力學非定域性的最後判決。後來,1998年,下一節我們將要談到的,又有Zeilinger及其同事在奧地利因斯布魯克大學完成的實驗,更為徹底地排除了定域性的漏洞。
量子力學是非定域的,這在物理界基本上是公認的結論。至於這結論背後是不是真的隱藏著超光速,人們仍然不能確定,儘管它表面上看起來似乎是一種類似的效應,但我們並不能利用它實際地傳送資訊,因此,這和愛因斯坦的狹義相對論並無矛盾。當初,德布羅意那“相波”的速度c^2/v就比光速要快,但只要不攜帶能量和資訊,它就不違背相對論。量子力學非定域性的認可,並不等於相對論被推翻,相反,相對論和量子論兩者至今仍然是我們所能依賴的最可靠的理論基石。
也許正因為有關‘定域’、‘隱變數’等等爭論的塵埃未定,有關量子糾纏研究及應用方面至今未出諾貝爾獎得主。貝爾於1990年62歲時,因腦出血而意外死亡。遺憾的是,貝爾並不知道,那年他被提名為諾貝爾獎。
阿斯派克特和克勞瑟,還有下一節要談到的塞林格(AntonZeilinger)三位實驗物理學家,曾被提名2011年的諾貝爾物理學獎。雖然最後,此獎項的殊榮落到了另外三位從事宇宙膨脹理論研究的物理學家頭上。但這三位實驗物理學家對量子力學理論和實驗方面的貢獻已經得到了學術界的公認,他們用一系列越來越精妙的實驗,驗證了貝爾不等式,因而擴展了量子糾纏態在通訊及電腦應用方面的研究。因為這些貢獻,他們三人被授予了2010年的沃爾夫物理獎。