我的新文章，“光子的量子纠缠:第一次实验，1964-67”，旨在传达一个小型研究项目的精神，进入未知的领域。这篇文章打破了传统，以第一人称的视角描述了实验的策略和挑战，并对最终结果及其意义进行了解释。在这篇客座社论中，我将介绍这个主题，并试图阐明“什么是悖论?”
让我们从陀螺仪开始吧，那是我八岁时从一家卖新奇玩意和魔术的商店买的。旋转的圆盘由轴的一端支撑，它不会下落，而是在水平面上缓慢移动。在排除陀螺仪的普通经验背景下，这种行为似乎是神秘或矛盾的，但在牛顿力学的背景下是完全有意义的，牛顿力学通过精确预测陀螺仪的行为来解决这个悖论。
量子理论诞生于20世纪20年代中期，在解释原子和分子的性质和相互作用方面取得了令人印象深刻的成功。1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森进行了一项思想实验，在实验中，两个共同起源的粒子分开运动，并指出量子理论预测了随后测量它们自旋的相关性。这种相关性可能看起来相当令人费解，因为对其中一个粒子的测量似乎会影响对另一个粒子的后续测量，即使粒子之间没有相互作用。在当前的术语中，这些关联是纠缠的一个例子，这种关联现象被称为EPR悖论。这个谜题已经成为许多讨论和分析的主题，特别是因为过去(现在)没有已知的测量相互通信的机制。
解开缠绕
1964年，我对这种不熟悉的效应很感兴趣，并开始考虑一种方法来实际进行EPR实验——或者至少是它的一个版本——来观察相关和纠缠。这将是一个低能量的实验，可以在一个小实验室里进行。
对于这里概述的实验，感兴趣的粒子是可见光光子，它们是不相互作用的，由激发的钙原子在两阶段自发发射过程中发射。光子的偏振态与它们的自旋有关，可以用普通的线性偏振器简单地测量。光电倍增管探测器计数单个光子，#1(绿色)和#2(紫色)，定时电路可以识别来自同一原子的光子对。一个可旋转的线性偏振器安装在每个探测器的前面。
用最简单的术语来说，这个实验包括计算光子对被检测到的速率，作为偏振器方向的函数。从同一原子探测到的光子对被记录为“巧合计数”。
量子理论做出了以下预测:
每个光子，分开来看，有50%的机会被它的偏振器传输，不管它的方向角度如何。
如果偏振轴是平行的，那么来自同一原子的两个光子可以通过它们的偏振轴而被计数。将观察到巧合计数。
如果偏振轴是垂直的，就不会发生两个光子都通过它们的偏振轴。因此，不会观察到巧合计数。
预测1和2并不令人惊讶，因为绿色和紫色光束是未极化的。
在我的文章中进一步讨论的预测3是在经典(非量子)物理学中没有类比的量子纠缠效应。它特别有趣，因为它可以通过实验来检验。我专门为此目的设计了这个实验。
经过近三年的实验室努力，实验结果清楚地表明，当偏振轴平行时，记录了重合计数，而当偏振轴垂直时，没有记录重合计数。理论和实验之间的一致是明确而惊人的。
所以这是一个悖论吗?
在我们对陀螺仪的简短讨论中，没有悖论被承认，因为牛顿的理论(经典动力学)完全解释了陀螺仪是如何运动的。此外，理论和观测到的陀螺仪行为都符合我们的生活经验和在经典领域中掌握自然过程的直觉能力。
在纠缠的情况下，量子理论解释了观察到的光子偏振的相关性。但是，即使一个理论预测了实验结果，如果直觉无法与之联系起来，悖论可能仍然存在。
再看看上面的第1条和第3条预测。如果我们借鉴我们在非量子世界中的生活经验，我们可能会注意到当偏振光片以90度“交叉”时，会出现非常奇怪的情况。如果每个光子有50%的机会通过它的偏振器，为什么我们不能得到25%的巧合呢?相反，我们根本没有观察到。乍一看，这似乎是一个悖论。一种可能的解释可能涉及量子理论中缺失的部分——也许是一种因果机制，可以允许一个光子或一个测量与另一个通信。然而，尽管进行了广泛的研究，却没有发现这种机制的证据。
由于我们并不生活在一个明显的量子世界中，经典现象可能会影响我们的思维过程——即使我们冒险进入量子领域。因此，在直觉中吸收纠缠可能仍然是一个挑战。我相信，当进一步的思考和经验，比如这里考虑的实验，“拓展思维”，更全面地拥抱纠缠和其他量子现象时，这个悖论至少可以部分得到解决。
我开始把自然的这些方面看作是“奇妙的奇妙”。
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我是品品号的签约作者“汤献伟”！
希望本篇文章《Kocher教授深入探索量子纠缠的奥秘与理解》能对你有所帮助！
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