图:École polytechnique / Université Paris-Saclay,2016 / Wikimedia Commons / CC BY-SA 2.0
阿兰·阿斯佩
Alain Aspect1947–今 · 生于法国阿让 · 法国
光子还在飞,测量方向就已经换过了——他把「两边来不及通气」做成了实验事实
诺贝尔物理学奖 2022 用纠缠光子做实验,确证贝尔不等式被违反,并开创量子信息科学
「这件事是公平的,没有谁赢谁输。从某个角度说玻尔赢了,但爱因斯坦也赢了,因为是他看出了那件非同寻常的事。」
—— 2022 年诺贝尔奖官方电话采访,据英文原文译
贝尔本人最不放心的,是自己那条不等式推导时的一个前提:两边的观测者必须各自独立地决定测什么。
克劳泽 1972 年的实验里,两台偏振片的角度是事先摆好的,整个取数过程中一动不动。原则上,一边的设置完全有时间「通知」另一边——不必是什么超自然的机制,只要两台仪器与光源在过去有过任何共同的因果联系就够了。这个缺口叫局域性漏洞。
要堵住它,得让测量方向在光子飞行途中改变。
一本教材,三年喀麦隆
阿斯佩不是常规路径上来的。他从巴黎高师卡尚分校毕业后,去喀麦隆服了三年海外志愿役,在那里教书。
他后来说,那三年是决定性的:正是在喀麦隆,他靠自学啃完了科恩-塔诺季、迪乌与拉洛埃合著的那套量子力学教材,把现代形式体系补齐了。1974 年回到法国时,他已经有能力读懂贝尔的论文——而那时法国几乎没人在意这篇论文。
他把它选成了自己的国家博士论文题目。当时这是个不明智的选择:量子基础被视为哲学,做这个不利于找工作。他做这篇论文时已经三十岁上下。
让两边来不及通气
1976 年他提出方案,1982 年做成:两台偏振分析器相隔 12 米,光子从中间的钙原子源飞到任一台约需 40 纳秒。在这 40 纳秒里,用两束反向传播的超声波在介质中造出驻波,形成声光开关,把光子随机地甩进两条不同的分析通道,切换周期约 10 纳秒。
于是一边「这次测哪个方向」的消息,即使以光速出发,也赶不到另一边。
结果是 ,局域实在论要求它不超过 0,量子力学预言 0.112。
这台实验的光路远比前人复杂,也留下了一个明白的缺口:切换是周期性的,不是真随机;12 米也还是太近。这两点后来分别由蔡林格小组 1998 年在 400 米间隔上、以及 2015 年的几个无漏洞实验补上。阿斯佩自己一直把这些后续工作讲得很清楚,从不含糊。
想找边界,没找到
1985 年之后他换了方向,跟科恩-塔诺季做激光冷却,后来又建了原子光学团队。有意思的是,冷原子这条线本身就是量子技术的另一根支柱——同一套「操纵单个量子体系」的手艺。
2022 年得知获奖时,他对着电话说了一句可以当作全部工作总结的话:我的实验本来是想找到量子力学的极限,结果没找到。
代表方程
关掉局域性漏洞的时间条件
两台偏振分析器相距 12 米,光子从中点飞到任一台需要约 40 纳秒。若能在这 40 纳秒之内改变测量方向,那么一边「选了测什么」的消息即使以光速传播,也赶不及影响另一边。1982 年那台实验用声光开关每约 10 纳秒切换一次通道,条件成立。
1982 年可变分析器实验的结果
局域实在论要求这个组合落在 −1 与 0 之间,量子力学预言 0.112。实验测出 ,越过零线五个标准差,与量子力学的预言相符。
伟大发现
出处
正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。