贝尔不等式的量子违背及其实验检验——兼议2022年诺贝尔物理学奖

2022年诺贝尔物理学奖授予法国、美国和奥地利的三位科学家阿兰·阿斯佩、约翰·弗朗西斯·克劳泽和安东·塞林格,以表彰他们利用纠缠光子实验检验贝尔不等式以及在开拓量子信息科学方面做出的卓越贡献。贝尔不等式在量子力学基本问题和量子信息研究中都有着不可或缺的地位,它的违背直接揭示了量子力学的基本特征——量子非定域性。文章在讲清楚基本科学概念的基础上,简要介绍了贝尔不等式理论的建立及验证其违背的实验研究的科学历程。为了解决EPR佯谬,基于玻姆的定域隐变量理论,约翰·贝尔提出了关于纠缠态上的关联测量满足的基本不等式——贝尔不等式。他还发现,量子力学关于关联的计算结果违背贝尔不等式,可以在类空距离上展现出“鬼魅”的长程量子关联。这种长程关联看似有超光速的“超距作用”,但这只是人们明显或潜在地使用了“波包塌缩假设”。EPR文章明显地采用这个假设推断远方客体共存的物理实在要素,由此对量子力学完备性提出质疑。文章评述了阿斯佩、克劳泽和塞林格荣获诺贝尔物理学奖的关于贝尔不等式违背的判定性实验,介绍了华人物理学家在纠缠态和贝尔不等式研究方面的基础性贡献,包括早年吴健雄利用正负电子湮灭产生EPR光子的先驱性实...     

2022年诺贝尔物理学奖的科学内涵辨识

2022年的诺贝尔物理学奖,被一些人误解为证明了量子纠缠现象。实际上,包括爱因斯坦本人都承认量子纠缠,关键在于如何诠释。今年诺贝尔物理学奖的价值在于这几位物理学家以无可争辩的实验事实,证明了基于定域隐变量的贝尔不等式是不对的。目前的一些介绍文字,没有认真解释量子力学在理论上是如何批驳贝尔不等式的,同时虽对量子纠缠的物理价值多有阐述,但对其哲学意义却鲜有评述,对社会上滥用纠缠概念缺少直接批判和阐释。文章希望在这两方面有所补充。     

从贝尔不等式到量子信息"热"

介绍了贝尔不等式的建立及20世纪70年代以来对它的实验验证．对贝尔不等式与量子力学基本解释的关系的深入研究,加速了“纠缠态”及其品性的发现,推动了量子信息“热”的兴起。     

解说量子纠缠理论

量子纠缠态在量子信息处理,如量子隐形传态、量子密集码、量子纠错、量子保密通信、量子计算等过程中起了十分重要的作用.量子纠缠理论主要研究量子态的纠缠刻画、分类及其在量子信息处理中的应用.文章介绍了量子纠缠理论中的一些基本概念和结果,其中包括:量子力学的实在性、局域性的讨论与Bell不等式的联系,Bell不等式与量子态可分性间的关系;纯态和混合态可分性的定义及若干判别准则(包括矩阵正映照方法、部分转置判据、约化判据、重排判据、纠缠见证、协方差判据及局域测不准关系判据);部分纠缠度量的介绍(包括纠缠形成、并发度、相对熵、负度、缠结和纠缠帮助,以及纠缠度量的计算和上下界的估算).     

基于量子相干性的四体贝尔不等式构建

贝尔不等式在定域性和实在性的双重假设下,对于被分隔的粒子同时被测量时其结果的可能关联程度建立了一个严格的限制,违反贝尔不等式确保量子态存在纠缠.本文利用量子相干性的l1和相对熵测度构建了四体量子贝尔不等式,发现一般实系数Greenberger-Horne-Zeilinger纯态和簇纯态总是违反四体相对熵相干性测度贝尔不等式,因此违反四体相对熵相干性测度贝尔不等式的这些态是纠缠态.     

连续变量无条件纠缠交换 --纠缠态的量子离物传送

利用自行设计的两台非简并光学参量放大器，获得了一对具有经典相干性且量子起伏相互独立的连续变量纠缠态光场，并用它完成了连续变量的无条件纠缠交换，即纠缠态的量子离物传送．通过联合贝尔态探测与纠缠塌缩，使两个初始不纠缠而又从未发生过直接相互作用的光场产生了量子纠缠，其正交振幅和位相分量的量子起伏关联方差被直接测量，其测量值分别低于散离噪声极限1．23dB和1．12dB．理论计算与实验结果基本符合．     

明亮EPR光束的量子纠缠交换

文中提出一个实现明亮光场量子纠缠交换的理论方案，两个独立的非简并光学参量放大器产生两组经典相干的明亮EPR光束对，通过在每一组EPR光束对的一半上执行联合贝尔态测量，使未产生相互作用的另一半之间产生量子纠缠，在我们的系统中由于采用贝尔态直接探测替代通常的平衡零差探测，不需要本底振荡光，减小了实验难度并能提高探测效率。     

双光子纠缠实验教学系统的搭建与应用

双光子纠缠实验教学系统主要涉及双光子纠缠态的制备、测量和分析,可以直观展示量子纠缠概念,排除局域隐变量假设.介绍了双光子纠缠系统的工作原理、纠缠态的制备和测量方法,搭建了双光子纠缠实验教学系统.该系统利用自发参量下转换效应制备出双光子偏振纠缠态并进行测量,性能稳定可靠.实验包含符合测量和复杂光路设计、调节等内容,有助于...     

走近量子纠缠系列之六 纠缠态及实验

在谈到实验之前,还得顺便提一句,我们在此系列文章中,所谈到的量子纠缠以及推导贝尔不等式的过程,用的都是EPR佯谬简化了的波姆版。也就是说,我们使用了两个不同的自旋("上↑"和"下↓")来表述量子态,这使得问题叙述起来简化很多,因为在这种只有两个离散变量的情况下,单个粒子     

基于量子Fisher信息的量子计量进展

量子计量是超冷原子气体研究中的一个热点领域.超冷原子体系独特的量子性质(量子纠缠)和量子效应有助于大幅度提高待测物理量的测量精度,这已经成为量子精密测量中的共识.量子Fisher信息对该领域的发展起了非常重要的作用.本文首先介绍量子Fisher信息的基本概念和量子计量的主要内容;然后简要回顾这些理论在提高测量精度方面的应用,特别是多粒子量子纠缠态的产生及其判定;再介绍线性和非线性原子干涉仪的相关进展;最后论述量子测量过程中的统计方法的研究进展.     

三比特类GHZ态的Bell型不等式和非定域性

研究了一般形式类GHZ(Greenberger-Horne-Zeilinger)态的共生纠缠度及非定域性, 给出了类GHZ纠缠态的共生纠缠、Mermin不等式和Svetlichny不等式的解析表达式, 并通过数值计算讨论纠缠与非定域性之间的关系. 结果表明, 类GHZ纠缠态的共生纠缠和两个Bell型不等式描述的非定域性是一致的, Bell算符及其参量, 能够明显展示量子态的非定域特性. 关键词： 量子信息 类GHZ态 共生纠缠 Bell型不等式     

自由空间量子通讯实验中纠缠源的研制

设计了适合自由空间量子通讯实验的纠缠源. 纠缠光子对的单模光纤搜集率约为每秒20000对,水平竖直方向的纠缠对比度大于95%,正负45°方向的纠缠对比度大于90%. 在本地得到了大于100个标准偏差的Bell 不等式破缺. 满足20 km量级的自由空间量子通讯试验要求. 关键词： 纠缠光子对 位相匹配 收集效率 贝尔不等式     

量子纠缠与宇宙学弗里德曼方程

量子纠缠作为量子信息理论中最核心的部分,代表量子态一种内在的特性,是微观物质的一种根本的性质,它是以非定域的形式存在于多子量子系统中的一种神奇的物理现象.熵也是量子信息理论的重要概念之一,纠缠熵作为量子信息的一个测度已经成为一种重要的理论工具,为物理学中的各类课题提供了新的研究方法.本文主要考虑量子纠缠的宇宙学应用,试图更好地从纠缠的角度来理解宇宙动力学.本文研究了量子信息理论的概念和宇宙学之间的深层联系,利用费米正则坐标和共形费米坐标构建了弗里德曼- 勒梅特-罗伯逊-沃尔克宇宙学弗里德曼方程和纠缠之间的联系.假设小测地球（a geodesic ball）的纠缠熵在给定体积下是最大的,可以从量子纠缠第一定律推导出弗里德曼方程.研究表明引力与量子纠缠之间存在着某种深刻的联系,这种联系对引力场方程的解是成立的.     

连续变量量子纠缠态的非对称量子克隆

该文讨论了连续变量量子纠缠态非对称克隆过程,从理论上讨论了在Local e-cloner方案中,入射和出射分束器的反射率可变情况下的纠缠态克隆,并利用纠缠不可分判据分析了所获得的非对称克隆纠缠态的纠缠特性.结果指出,克隆得到的两组纠缠态的纠缠特性不相同.     

量子理论若干基本问题研究的新进展

本结合最后的典型量子物理实验,如用冷原子Bragg散射实现的“which-way”实验,量子退相干过程的微腔QED检验和C60分子的量子干涉等,比较系统地介绍了量子理论基本问题若干研究的新进展,特别强调了处于其核心的量子测量问题及其相关的基本概念和基本思想,如EPR佯谬和Bell不等式,量子退相干和量子纠缠,从理论和实验结合的角度本阐述了被测系统和测量仪器的相互作用怎样导致量子测量的一般动力学过程,由此还讨论了外部环境和内部运动怎样诱导量子退相干和量子耗散,对“薛定谔猫佯谬”和“宏观物体空间局域化描述”给出了可能的物理解释,最后,通过具体例子,本简单地讨论了量子物理基本问题的研究结果对量子信息的应用。     

量子关联

量子纠缠是量子信息处理过程中的重要资源,也是量子力学与经典力学本质区别的一个重要特征.最近随着量子信息理论的不断发展,人们发现可分态中也可以存在非经典的量子关联,量子纠缠只是量子关联的一部分.而且这种非纠缠的量子关联可能在一些量子信息处理过程中起到重要的作用.文章介绍了量子关联最近所取得的一些研究进展,特别是量子关联在各种消相干环境下的演化规律等.     

量子相变与量子纠缠

作为量子体系一种内在的非局域性关联,量子纠缠已经成为一个可利用的重要资源并广泛应用于许多领域.强关联体系中的量子相变,作为凝聚态理论中的一个重要现象,也一直是人们研究的热点.本文介绍了量子纠缠的定义,纠缠的判据,以及纠缠的度量.接着,通过一个具体模型对如何利用量子纠缠描述量子相变进行讨论和分析.研究发现,在强关联体系量子相变中量子纠缠扮演着非常重要的角色.     

三光子GHZ态中不同Bell型不等式的实验研究

实验研究了Bell不等式、Mermin不等式和Svetlichny不等式在GHZ态中对定域实在论结果的破坏. 采用目标态密度矩阵的方法给出了实验制备的GHZ态的保真度, 得到了三个不等式在GHZ态中的测量值. 实验结果表明, 三个Bell型不等式在同一个状态下对定域实在论结果破坏程度不同, 在量子密钥分配中可以选择合适的非定域性描述方式考察所用信道的安全性.     

量子理论若干基本问题研究的新进展

本文结合最近的典型量子物理实验 ,如用冷原子Bragg散射实现的“which way”实验 ,量子退相干过程的微腔QED检验和C60 分子的量子干涉等 ,比较系统地介绍了量子理论基本问题若干研究的新进展 ,特别强调了处于其核心的量子测量问题及其相关的基本概念和基本思想 ,如EPR佯谬和Bell不等式 ,量子退相干和量子纠缠。从理论和实验结合的角度 ,本文阐述了被测系统和测量仪器的相互作用怎样导致量子测量的一般动力学过程。由此还讨论了外部环境和内部运动怎样诱导量子退相干和量子耗散 ,对“薛定谔猫佯谬”和“宏观物体空间局域化描述”给出了可能的物理解释。最后 ,通过具体例子 ,本文简单地讨论了量子物理基本问题的研究结果对量子信息的应用     

远距离量子通信实验中的高维纠缠源

设计了适用于远距离量子通信实验的高维纠缠源.利用连续激光器抽运产生了极化-时间两体四维纠缠光子对,在抽运功率20 mW下测到每秒700对符合,保真度为89%±3%.相比已有的高维纠缠源,在本文中发展的源具有传输便利、相位稳定性好等优点,适用于未来远距离高维量子通信实验和量子力学基本问题实验检验,如远距离高维量子密码实验、两粒子Greenberger-Horne-Zeilinger定理检验、两粒子量子赝"心灵感应"(quantum pseudo telepathy)实验演示等. 关键词： 高维纠缠 极化纠缠 时间箱纠缠 量子通信