物理群星
阿兰·阿斯佩 肖像

图:École polytechnique / Université Paris-Saclay,2016 / Wikimedia Commons / CC BY-SA 2.0

阿兰·阿斯佩

Alain Aspect

1947–今 · 生于法国阿让 · 法国

量子力学

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 0.101±0.0200.101 \pm 0.020,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

τ切换≈10 ns  ≪  Lc=12 mc≈40 ns\tau_{\text{切换}} \approx 10\ \mathrm{ns} \;\ll\; \frac{L}{c} = \frac{12\ \mathrm{m}}{c} \approx 40\ \mathrm{ns}

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

−1≤ S≤0(局域实在论)S实验=0.101±0.020S量子=0.112\begin{aligned} -1 \le\ &S \le 0 \quad (\text{局域实在论}) \\ &S_{\text{实验}} = 0.101 \pm 0.020 \\ &S_{\text{量子}} = 0.112 \end{aligned}

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 0.101±0.0200.101 \pm 0.020,越过零线五个标准差,与量子力学的预言相符。

伟大发现