火遍童年的玻璃珠，竟然跟量子力学扯上了关系？

研究人员让一颗玻璃微珠与光纠缠在一起，展现出它的量子特性  图源：pixbay

写量子纠缠，总是一件颇具挑战的事。你得绕开太多陈词滥调：神秘、像幽灵一样、诡异、古怪……量子纠缠似乎不该被这些词定义，却又好像每个词都沾一点边。要我说，它简直处于这些老套形容词的“叠加态”。好了，既然第二句话就把这些套话用完了，我们不妨进入正题：研究人员究竟是怎样让一束光与一颗玻璃微珠发生量子纠缠的？坦白说，这可是一项了不起的实验成果。

不说套话，聊聊纠缠

量子纠缠的一个核心特征，是两个对象的某些性质彼此关联，不能再完全独立地描述。先举一个不太恰当但容易理解的例子：我的上臂和前臂，在相对位置上有很强的关联，因为它们通过肘关节连在一起。这没什么令人惊讶的，我们一眼就能看出，它们共同组成了一个整体，叫作手臂。

两个光子也可以在某种意义上“连在一起”，使它们的某些性质出现关联。不过，这里的“连接”并不是一根看得见的绳子，而是它们共同处于一个量子态。我们之所以会（天真地）觉得这件事不可思议，主要有三个原因：

第一，我们习惯把两个光子想象成完全独立的对象，觉得它们不可能“连起来”。这个直觉并不适用于纠缠态。

第二，这种关联只体现在特定的性质上。例如，两个光子的偏振可能毫无关联，能量却存在很强的关联。

第三，也是最关键的一点：我们没法像看见肘关节那样，直接看见光子之间的“连接”。这种“连接”只能从破坏性测量的结果中显现出来：这里所说的光子探测通常会吸收光子，也就破坏了被测对象。最后这一点是量子力学独有的，与我们的日常经验完全不同；第二点也有几分这样的意味。

纠缠在实验中是什么样的？

假设我们用一种巧妙的方法，让一个光子转化为两个光子。新产生的两个光子，各自带走原来光子的一部分能量。这份能量究竟如何分配，在测量之前并没有一个确定的答案。每个光子的能量都处于多个可能值的叠加态：我们可以算出测量得到各个能量值的概率。但是，有一件事是确定的：两个光子的能量加起来，必须等于原来那个光子的能量。于是，只要测出了其中一个光子的能量，另一个光子的能量也就随之确定了。

想象中的量子纠缠。图源：pixbay

如果量子世界真是这样的，为什么我们在日常生活中没有看到纠缠？问得好。关于量子世界如何呈现出我们熟悉的日常面貌，各种理论还在八角笼中打擂台，等这场死斗分出胜负，我一定很乐意告诉你谁是最终赢家。

不过，这些解释至少有一个共同点：物体越大，通常就越容易与周围环境发生相互作用，从而破坏这些量子关联。你可以把这些相互作用理解为环境不断对物体进行“测量”。它们可能让纠缠刚刚建立起来，就迅速消失。这也解释了，为什么光场与一颗玻璃微珠之间的纠缠如此不同寻常。与单个光子相比，玻璃微珠已经是一个相当大的对象。在普通条件下，环境造成的干扰很可能在我们测到纠缠之前，就把它破坏了。

怎样让玻璃微珠与光纠缠？

实验如何让玻璃微珠与光纠缠。 两束激光有不同作用：A（图中红色）负责冷却和稳定微珠，B（图中蓝色）用于产生纠缠；红、蓝是示意配色，并非激光实际可见的颜色。图源：AI生成，改编DOI: 10.1126/science.aeh1375图1

实验中还有两面镜子，组成一个“光学腔”。光在两面镜子之间来回反射，玻璃微珠则位于腔的中央。光学腔的作用，是让里面的光场具有稳定、明确的结构。两面镜子之间的距离，决定了哪些频率的光能够在腔内形成共振，以及光波的相位关系。最终，腔内会出现一些固定的亮处和暗处，形成所谓的“驻波”。

你在振动的吉他弦上也能看到类似现象：弦上的某些位置始终几乎不动，另一些位置却振动得很明显。

吉他弦上的驻波示意。两种颜色表示同一根弦在不同时刻的位置：波节始终不动，波腹振动最明显。图中展示的是一种驻波模式，振幅经过夸张处理。图源：AI生成。

这里的“冷却”有一种特别的含义：我们关心的主要不是玻璃本身的温度，而是整颗微珠来回运动的剧烈程度。虽然微珠被光镊困住了，但这种束缚更像是用橡皮筋牵住它，而不是用金属镊子把它夹死。它仍然会在激光束中来回振动。从这种运动的角度说，微珠是“热”的。要冷却它，就得削弱这种振动，让它尽可能安静下来。当然，它永远无法彻底静止：即使到达量子力学允许的最低能量状态，也仍然会保留微小的运动。

研究人员通过稍微降低激光频率，也就是让它相对“偏红”，来实现冷却。在合适的实验条件下，微珠的运动与多普勒效应使散射光从微珠那里带走一点能量。光获得了能量，微珠的运动能量就减少了，振动也随之减弱。

微珠冷却下来之后，还需要让激光以恰到好处的方式“推”它一下，才能建立微珠与光之间的纠缠。这一次，研究人员稍微提高激光频率，让它相对“偏蓝”。同样的多普勒频移，之前帮着光从微珠那里带走能量，现在却反过来给微珠的运动添了一把火。

于是，实验中有了两束激光：一束负责冷却，一束负责加热，也就是激发微珠的运动。冷却光只有在微珠的运动能量高于最低值时，才能继续从它那里取走能量；而另一束光不断向它输入能量，使这一过程得以发生。两束光由此通过微珠的运动联系起来，它们的波动也出现关联。研究人员利用这些关联，来检验光场与微珠之间是否建立了量子纠缠。可问题是：怎么测？

从漏出来的光中，寻找纠缠的证据

光学腔的镜子并不会把所有光都关在里面。少量光会穿过其中一面镜子，泄漏到腔外。离开光学腔的约束后，这些输出光的相位和振幅（可以粗略理解为光波振动的“在一个周期中走到了哪一步”和“起伏有多大”）带有微小的波动，而这些波动与微珠的运动有关。两束光都会从腔内泄漏出来。研究人员测量它们的波动及其关联，再结合对整个系统的分析，就能判断光场与微珠之间是否存在纠缠。

这项实验一点也不轻松。测量数据中有很强的噪声。研究人员还必须建立一个足够准确的系统模型，才能区分哪些结果可以由没有纠缠的状态解释，哪些结果真正体现了纠缠；毕竟，有相关性，并不自动等于有量子纠缠。

不过，这也是此类测量的首次实现。随着实验技术不断改进，我们有理由期待，今后的测量会做得更好。

它有什么用？

我是那种看到新成果，就忍不住问“这有什么用”的人。

但即使暂时不谈应用，我也很欣赏这样的研究：它展示了令人惊叹的实验技术，也再次提醒我们，量子力学的身影，从微观世界再到我们身边的宏观世界，确实无处不在。

研究人员则已经看到了潜在用途：在量子通信中，光是传递量子信息的重要载体。但光适合把信息送走，要把它留下来、存起来，却并不容易。这样的机械系统，有望把量子信息暂时保存在本地，充当一个“量子存储器”。而且，它是一个完全由人工构建的系统。我们可以通过调整装置，让它具备所需要的特性——在我看来，这让它颇有前景。

量子存储器的潜在应用示意。光负责传递量子信息，微珠的运动状态有望暂存这些信息，并在需要时将其转回光信号。图示为AI生成的应用设想   图源：AI生成

作者：Chris Lee

翻译：Ivy不会起名

审校：姬子隰

原文链接：An experimental tour-de-force: Entanglement between glass bead and light

fu

福

li

利

shi

时

jian

间

今天我们将送出由中信出版社提供的《量子其实超好懂！》。

本书沿着百年量子发展脉络，用漫画拆解硬核原理，用故事点亮科学高光，聚焦“墨子号”“祖冲之号”“京沪干线”等中国量子重磅成就，告诉你“量子是什么”“量子如何改变世界”“中国量子到底有多牛”！书中，混子哥用漫画把高深量子知识变通俗，潘建伟院士领衔墨子沙龙团队专业护航，一本书讲透量子科学与中国量子科技成就，带你看懂量子如何改变未来。让青少年在快乐阅读中建立科学思维、看清前沿科技、点燃属于中国少年的科技自信。