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这篇发表于2025年8月1日《科学进展》(Science Advances)的论文,报告了一项颠覆性的量子物理实验。其核心发现是:研究人员首次在完全没有使用纠缠光子对的情况下,成功地违反了贝尔不等式。这一结果挑战了“贝尔不等式违反必然意味着量子纠缠”的传统观念,揭示了量子非局域性的另一个根本来源——量子不可区分性(quantum indistinguishability)。
以下是该研究的全面解析:
1. 背景与核心挑战 贝尔不等式与纠缠:自约翰·贝尔(John Bell)提出以来,违反贝尔不等式被视为量子力学非局域性和非实在性(即“局域实在论”失效)的决定性证据。在过去的五十年里,几乎所有违反贝尔不等式的实验都依赖于量子纠缠态(如纠缠的光子对)。因此,纠缠被认为是产生这种强关联的必要条件。 本研究的突破:本文作者提出并证明,即使没有纠缠,仅凭光子产生过程的“量子不可区分性”,也能产生足以违反贝尔不等式的量子关联。这为理解量子力学的“诡异”特性提供了全新的视角。 2. 实验原理:多光子受挫干涉 (Multiphoton Frustrated Interference, FI) 实验的核心是“受挫干涉”(Frustrated Interference)现象,这是一种源于量子不可区分性的干涉,而非粒子间的纠缠。
实验装置:实验使用了四个独立的、由经典激光泵浦的非线性晶体(即双光子源I, II, III, IV)。每个源可以产生一对信号光子和闲频光子。 路径设计:通过精巧的光路设计,使得最终在四个特定输出端口(a1, a2, b1, b2)同时探测到四个光子的事件,可以由两组完全不同的过程导致: 光子对来自源I和II。 光子对来自源III和IV。 量子不可区分性:由于这两组过程产生的光子在所有自由度(路径、偏振、频率、时间等)上都完全无法区分,因此这两个过程的量子概率幅会发生干涉。 干涉结果:这种干涉会增强或抑制四光子符合计数(coincidence counts)的速率,其结果依赖于由Alice和Bob分别控制的两个相位(α和β)之和。论文中的公式(2)给出了符合计数率:N(α, β) = g⁴N₀[2 + 2cos(α+β)]。这个余弦依赖关系是进行贝尔测试的关键。 3. 关键创新:非纠缠系统 这是该实验与传统贝尔实验最根本的区别。
破坏纠缠:实验中产生的光子对在动量和频率上原本是纠缠的。但研究人员通过使用单模光纤和窄带滤波器,对光子的动量和频率进行了强投影测量,从而彻底破坏了光子对内部的纠缠。 结论:因此,最终用于贝尔测试的光子是非纠缠的。违反贝尔不等式的根源不是粒子间的纠缠,而是产生过程的路径同一性(path identity)和量子不可区分性。 4. 如何进行贝尔测试:构建联合概率 由于系统中没有纠缠,传统的测量方法不适用。研究人员采用了一种巧妙的方法来构建贝尔不等式检验所需的联合概率。
定义结果: +1结果:Alice和Bob各自在其两个端口(a1,a2 或 b1,b2)上同时探测到光子。 -1结果:为了得到“-1”结果,他们利用干涉的互补性。当相位为α时,符合计数高(+1);当相位变为α+π时,符合计数最低。他们假设在相位α+π下测到的“+1”结果,等效于在相位α下的“-1”结果。 核心等式:基于这一假设,他们用可测量的“+1”结果计数来推断所有结果的概率。论文中的**等式(14)**是构建联合概率的核心: p(a, b | α, β) = N(+1,+1 | α + (1-a)/2 * π, β + (1-b)/2 * π) / [所有四种结果的总和] 这个等式通过相位偏移π,将“-1”结果的计数映射为在正交相位下可测量的“+1”结果计数。 计算关联函数:利用上述概率,他们计算出关联函数 E(α, β) = cos(α+β)(等式7),并最终计算出CHSH贝尔参数 S。 5. 实验结果与结论 数据:实验测量了不同相位设置下的四光子符合计数(图2),并计算了关联函数 E(α, β)(图3A)。 贝尔参数:通过选择特定的相位设置(α₁=0, α₂=π/2, β₁=π/4, β₂=3π/4),他们计算出贝尔参数 S = 2.275 ± 0.057。 显著违反:经典理论的极限是 S ≤ 2,而 2.275 > 2,且超出了4个标准差(4 SDs),因此明确违反了贝尔不等式。 非局域性验证:图3B显示,Alice和Bob各自的局部双光子计数不显示任何干涉,只有他们的联合测量结果才显示出强烈的相位依赖性。这证明了关联是非局域的,与纠缠系统的特征相似。 6. 深远意义与讨论 重新定义量子关联的来源:这项工作确立了量子关联与量子不可区分性之间的直接联系。它表明,非局域性可以源于产生过程的“同一性”,而不仅仅是粒子间的“纠缠”。 “创造”而非“测量”:作者强调,他们不是在测量一个预先存在的纠缠态,而是在光子的产生过程中,通过操纵相位来主动“创造”出量子关联。 对量子基础的启示:这挑战了我们对“量子态”和“实在性”的朴素理解。正确的诠释是,在测量之前,我们不能说光子“已经”从某个特定源产生;而是存在一个产生光子的可能性,这个可能性的干涉导致了最终的测量结果。 未来展望:虽然实验中存在抽样漏洞(postselection)和定域性漏洞(loophole),但作者认为这些可以通过技术改进来关闭。这项工作为量子信息科学开辟了新的道路,可能催生新的量子协议。 总结:这篇论文是一项里程碑式的工作。它证明了量子力学的非经典特性——违反贝尔不等式——可以在一个完全非纠缠的系统中实现,其根源是量子世界中更基本的“不可区分性”。这不仅深化了我们对量子力学基础的理解,也为未来的量子技术提供了新的范式。
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