阅读笔记 -- 《量子纠缠》

03 成双成对的光(终)

如何理解晶体是如何帮助科学家们获取纠缠的光子对?这里,我们需要一些量子电动力学的知识,一门描述了光和物质如何相互作用的学科,作为前行的干粮。

看着照镜子,当你看见自己在镜子里的图像时,光线已经从诸如灯泡、太阳这样的光源照到你的脸上,并朝着镜子的方向移动,并在在镜子面出被反射回来,聚焦在视网膜上,产生大脑可诠释的图像;换一个角度,想象光作为一束小能量粒子,猛烈碰撞镜面时,会像球从垫子上弹回那样吗?这是不可能的,请注意,每一个过来的光子,都是那样令人难以置信的小和脆弱,你无法感觉到它,或者将它称重。当这个光子离镜子越来越近时,由于镜子本身也是由原子组成的,而每一个原子都是由巨大的开阔空间,中心处原子核以及模糊一片的,为方便想象,一团扩散开的电子迷雾组成(依托现有技术,我们无法准确获得电子的位置信息),光子的电场首先和附近的电子发生作用,吸收了光子的电子因为自身能量的增加,发生量子跃迁,并释放出新的光子,最终,新的光子从镜子表明进入到你的眼睛中。与镜子不同的是,某些特殊的晶体,比如硼酸钡,当足够强的激光照射到这种晶体上时,某些被吸收的光子重新发射时,不再是一个光子,而是两个纠缠的光子对。简单来说,因为量子跃迁的结果取决于入射光的频率,频率越高,光子能量越高,由于能量守恒,产生的光子数(一般)越多(严格来说,这里发生的是自发性参量下转换)。与激发钙原子产生的光子对相比,利用晶体产生纠缠的光子对数量多,更稳定,方向可预测,实验结果更为可靠。

到这里,似乎没有必要进一步研究贝尔的理论了,然而,对科学家来说,采用不等式证明的方式总让人有那么一点点不舒服,他们设想除比多读数做统计平均以外,一定有更肯定的证明方式––而这将是GHZ实验的成果,一个于1999年宣判EPR的努力最终无效的实验,一个三个光子相互纠缠的实验,一个每次测量后得到绝对结果的实验(不需要对许多光子对做统计,每次结果要么支持要么反对贝尔的理论)。从此开始,令人着迷的纠缠自身,开始在现实世界发挥出巨大的应用潜力,不再限于实验室,它们已准备好实实在在地影响人们的日常生活,甚至更多。

即使阿斯派克的实验取得了成功,人们对量子论的研究仍然缺乏热情,尤其是那些恼人的,难以捉摸的光子。虽然激光可以更加可靠地激发钙原子获得纠缠的光子,但是单个纠缠的光子对仍然难以获得,就像阿斯派克本人说的那样:“我们得到的是一束原子束––在真空室中运动的原子集合”,更糟糕的是,光子的飞出方向并不总是相同的,如何确定得到的两个光子确实是纠缠的光子对,而不是随意、没有联系的光子碰巧的配对,是个错综复杂的事情。再次唤醒人们对纠缠兴趣的是,一种产生纠缠光子对更可靠的来源,比如一片典型的晶体,冰州石。

Ziqiang Huang wechat
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