量子糾纏研究簡史

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撰文 龐瑋

本文原載於《環球科學》，未經許可請勿轉載

1925年

海森堡和他的導師波恩以及數學家約當一起發表了兩篇論文：《論量子力學I》和《論量子力學II》，用一種新的「矩陣力學」去計算原子結構並獲得成功，這是第一個系統的基於量子觀點的動力學理論，宣告了量子力學的開端。

1926年

比利時物理學家薛定諤而從德布羅意的物質波理論出發，提出了一個物質波所滿足的波動方程（薛定諤方程），即波動力學。薛定諤用波動力學計算出了氫原子譜線等原子結構，並證明了波動力學和矩陣力學是等價的，量子力學的基本框架初步建立起來。

1926年

波恩發表論文《論散射過程中的量子力學》，指出薛定諤方程中的波函數代表了粒子的概率幅，波函數即概率幅的模方則給出觀察到該粒子的概率大小，不同狀態導致概率幅的疊加。這是概率被第一次引入物理學。

1927年

玻爾在義大利科莫市發表了題為「量子公設及原子理論的最新發展」的系列演講，亦稱「科莫演講」。玻爾在演講中提出了「互補性原理」，標誌著哥本哈根解釋的發軔。哥本哈根解釋認為量子力學不僅是個統計理論，而且可以對單個系統和粒子給出完備的描述，這在此後很長一段時間內被視為對量子力學的正統解釋。

1932年

馮·諾依曼出版專著《量子力學的數學原理》，提出投影假設，以說明基於概率的波函數和基於測量的確定結果之間如何聯繫起來。按照投影假設，任何測量都會使量子系統從概率幅疊加態坍縮到某一確定狀態。這一觀念很快被哥本哈根解釋吸收，成為哥本哈根解釋的一個重要特徵。

1935年

愛因斯坦（Einstein）與波多爾斯基（Podolsky）和羅森（Rosen）共同發表論文《能認為量子力學對物理實在的描述是完備的嗎？》，即EPR論文。文章中構築了一個思想實驗來反駁玻爾的觀點：兩個粒子在建立量子關聯之後，無論相隔多遠，對其中一個粒子的觀測會影響另一個粒子的狀態，而只要這兩個粒子相隔足夠遠，這種影響傳播的速度必然超過光速，愛因斯坦稱之為「幽靈般的超距作用」。

1935年

受EPR論文的啟發，薛定諤發表了名為《論量子力學的現狀》的文章。在文章中他將EPR論文的思想推廣至宏觀系統，提出了著名的「薛定諤的貓」。在這個思想實驗中原子的兩個狀態分別與貓的某個宏觀狀態聯繫在一起，這樣原子水平的波函數疊加就變成了貓宏觀狀態的疊加，薛定諤用「糾纏」一次來形容這種古怪的宏觀狀態疊加。

1964年

英國物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾在論文《論EPR佯謬》中提出了貝爾不等式。貝爾不等式設定了經典定域物理體系中事件關聯性的上限，它可以用來檢驗物理體系是遵從定域理論還是遵從非定域的量子理論，如果貝爾不等式成立，則物理理論必像愛因斯坦設想的那樣是定域的，而如果貝爾不等式不成立，則量子糾纏就是超越經典物理描述範疇的一種物理實在。

1972年

美國物理學家弗里德曼和克勞瑟在加利福尼亞大學伯克利分校設計了一個實驗來檢驗貝爾不等式。實驗使用的是原子輻射級聯光子對，結果表明貝爾不等式不成立，即對糾纏光子對而言並不存在定域性。但實驗存在一些漏洞，因而被認為不具有說服力。

1982年

法國物理學家阿斯派克特領導巴黎第十一大學的實驗小組對弗里德曼和克勞瑟的實驗方案進行了改進，得到的結果仍然顯示級聯光子對不滿足貝爾不等式。阿斯派克特的實驗比較嚴謹，成為對EPR思想實驗最為著名的檢驗，被認為是20世紀最重要的實驗之一。

1997年

奧地利因斯布魯克大學的物理學家迪克·鮑米斯特爾（Dik Bouwmeester）和安東·塞靈格帶領實驗小組完成了世界上首個利用量子糾纏進行離物傳態（量子傳輸）的實驗，實驗中A地的一個光子偏振態通過糾纏光子對被傳輸到B地的另一個光子上。由於糾纏光子對很容易受到環境的干擾而退相干，所以該實驗僅實現了室內短距的傳輸。

2003年

美國芝加哥大學的薩婭塔尼·戈什（Sayantani Ghosh）、英國倫敦大學學院的托馬斯·羅森鮑姆（Thomas Rosenbaum）以及美國威斯康星大學研究人員組成的聯合研究小組在《自然》雜誌發表文章，報告在不同溫度下的磁性鹽晶體中觀察到宏觀體系的原子糾纏跡象。

2004年

托爾斯騰·里茨等人在《自然》雜誌上撰文，指出根據對歐洲鴝在交變磁場中導航行為的實驗測量，量子糾纏很可能在這些候鳥的導航中起到關鍵作用。

2006年

英國科學家韋德拉爾率領的一個聯合研究組提出理論上可以利用光子撞擊在鏡子上的反衝運動將激光束中的光子和一面小鏡子的振動狀態糾纏在一起，計算結果表明即使環境溫度很高這種糾纏仍能保持下去，而傳統上認為糾纏只能在低溫下保持，較高的環境溫度會破壞體系的糾纏狀態。

2009年

潘建偉帶領的中國科學技術大學—清華大學聯合實驗小組在北京八達嶺長城上實現了距離為16千米的自由空間量子離物傳態，這是目前量子離物傳態距離的世界記錄。該實驗還對量子傳態穿越大氣層的可能性進行了驗證並給出了肯定的結果。

2010年

捕光色素複合體

加拿大多倫多大學的化學家科里尼和斯科爾斯等人將兩種海藻中的負責捕捉光子的捕光色素複合體分離出來，發現它們光合作用的效率異常高，用經典電化學理論無法解釋，而如果考慮電子間的糾纏則能很好地解釋實驗結果，這是首次在活的生物體系中觀察到宏觀尺度上的量子糾纏作用。

2010年

諧振器

加利福尼亞大學聖巴巴拉分校的奧康奈爾及同事製作了一個1微米厚、40微米長的類似音叉的諧振器，然後把它置入超導線圈，在極度低溫下觀察到諧振器處于振動和不振動的疊加態。這是物理學家首次觀察到宏觀物體的量子狀態（參見《環球科學》2011年第1期《2010年十大科學新聞》）。

2011年

英國牛津大學的埃里克·M·高格爾（Erik M. Gauger）和韋德拉爾等人在《物理評論快報》上發表文章指出，候鳥導航機制中的量子糾纏可能維持長達幾十毫秒，大大超出人造分子糾纏系統所能維持的時間。