我们先考虑局域性,两个粒子的测量结果,只和测量时各自的测量设置(比如角度)有关,两个设置互不相干,即用任何设置a测量第一个粒子,都不影响第二个粒子的测量值

两个粒子的测量的设置参数(比如偏振片角度)分别为a,b

两个粒子的测量结果,a和b没有相关性,

设粒子拥有两种状态+1,-1,

第一个粒子测得+1的概率为\(f(\lambda,a)\),测得-1的概率为\(1-f(\lambda,a)\)

第二个粒子测得+1的概率为\(g(\lambda,b)\),测得-1的概率为\(1-g(\lambda,b)\),与a无关

f,g的值范围为0到1

两个粒子测量的联合概率就是得到的两个概率的乘积,然后对所有\(\lambda\)参数积分,

则测得第一个粒子和第二个粒子同时为+1的联合概率,写作:

\(P_{++}=\int f(\lambda,a)g(\lambda,b)d\lambda\)

测得第一个粒子为+1,第二个粒子为-1的联合概率:

\(P_{+-}=\int f(\lambda,a)(1-g(\lambda,b)) d\lambda\)

测得第一个粒子为-1,第二个粒子为+1的联合概率:

\(P_{-+}=\int (1-f(\lambda,a))g(\lambda,b) d\lambda \)

测得第一个粒子为-1,第二个粒子为-1的联合概率:

\(P_{- -}=\int (1-f(\lambda,a))(1-g(\lambda,b)) d\lambda \)

上面的积分,没有除以总和,假设了\(\lambda\)自己的积分为1.

对上面4种概率构造一个综合值E,作为对四种概率的一次性总计算:

\(E(a,b)=P_{++}-P_{+-}-P_{-+}+P{–}\)

\(=\int\Bigl[f g - f(1-g) - (1-f)g + (1-f)(1-g)\Bigr]d\lambda\)

\(=\int\bigl[4f(\lambda,a)g(\lambda,b)-2f(\lambda,a)-2g(\lambda,b)+1\bigr]d\lambda\)

\(=\int (2f(\lambda,a)-1)(2g(\lambda,b)-1) d\lambda \)

\(=\int F(\lambda,a)G(\lambda,b) d\lambda \)

其中\(F=2f-1\), \(G=2g-1\):

然后再构造最后一个值,用来计算四次测量的结果:

\(|S|=E(a,b)+E(a,b’)+E(a’,b)-E(a’,b’)\)

表示四个设置(角度)a,b,a’,b’的四个组合的测量结果,

|S|为四次测量组合的一个值,则上面的|S|计算后为

\(|S|=\displaystyle \int \Bigl[F(\lambda,a)G(\lambda,b)\) \( +F(\lambda,a)G(\lambda,b’)\) \( +F(\lambda,a’)G(\lambda,b)\) \( -F(\lambda,a’)G(\lambda,b’))\Bigr]d\lambda\)

省略\(\lambda\)方便查看:

\(|S|=\displaystyle \int [F(a)G(b)+G(b)G(b’)+F(a’)G(b)-G(b)G(b’)] d\lambda\)

由于\( -1 \le F \le 1, -1 \le G \le 1\),

所以FG+GG’+F’G-GG’的最大值为2,

\(|S| \le 2 \displaystyle \int d\lambda = 2\)

我们再考虑非局域性,两个粒子的测量结果是相关的,

第二个粒子的测量结果,与第一个粒子的设置a相关,

第一个粒子测得+1的概率为\(f(\lambda,a)\),测得-1的概率为\(1-f(\lambda,a)\)

第二个粒子测得+1的概率为\(g(\lambda,a,b)\),测得-1的概率为\(1-g(\lambda,a,b)\),与a有关

有:

\(P_{++}=\int f(\lambda,a)g(\lambda,a,b)d\lambda\)

\(P_{+-}=\int f(\lambda,a)(1-g(\lambda,a,b)) d\lambda\)

\(P_{-+}=\int (1-f(\lambda,a))g(\lambda,a,b) d\lambda \)

\(P_{- -}=\int (1-f(\lambda,a))(1-g(\lambda,a,b)) d\lambda \)

有:

\(E(a,b)=\int (2f(\lambda,a)-1)(2g(\lambda,a,b)-1) d\lambda \)

\(=\int F(\lambda,a)G(\lambda,a,b) d\lambda \)

其中\(F=2f(\lambda,a)-1\),\(G=2g(\lambda,a,b)-1\)

\(S=\displaystyle \int [F(\lambda,a)(G(\lambda,a,b)+G(\lambda,a,b’))\) \(+F(\lambda,a’)(G(\lambda,a’,b)-G(\lambda,a’,b’))]d\lambda\)

省略\(\lambda\)方便查看:

\(|S|=\displaystyle \int [F(a)G(a,b)+F(a)G(a,b’)+F(a’)G(a’,b)-F(a’)G(a’,b’)] d\lambda\)

与局域版的比较:

\(|S|=\displaystyle \int [F(a)G(b)+G(b)G(b’)+F(a’)G(b)-G(b)G(b’)] d\lambda\)

发现非局域版的|S|有4个G,局域版的有2个G,

这是因为局域版测量的G,只与b和b’有关,

而非局域版的,则与(a,b),(a’,b), (a,b’), (a’,b’)有关,

这就是局域与非局域的区别,也是非局域情况下出现了|S|>2的情况

这说明在以a测量第一个粒子的时候,实际上也对第二个粒子进行了测量(角度为\(a+\frac{\pi}{2}\)),再对第二个粒子用b测量时,相当于对第二个粒子进行了第二次测量。这就好比我们对一束光用偏振片角度a过滤后,再对过滤后的光用一个相对于a加90度的角度b(\(b-a-\pi/2\))的偏振片再测量的结果是一样的。相当于对同一束光的测量

但两个光子在位置上是分离的,甚至可以随便改变它们的路径,这样还能产生关联,确实匪夷所思。除非找到一种新的微观机制加上一种新的统计方法,去适配同样的结果,才能打破量子纠缠的神话。