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丨 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，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：我们的上臂和前臂，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。
还有一点更让人难以习惯：这种关联不需要等待一个信号从某个光子传到另一个光子。即使设想两个纠缠光子之间相隔整个宇宙，测量其中一个时，另一个光子的相应测量结果也会立即受到它们共同量子态的约束。当然，这并不意味着我们能用纠缠实现瞬时通信。
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。
你可能会想：这有什么特别的？两个光子也许早就各自带着确定的能量，我们只是一直没有去测罢了。然而，如果你把这种 " 答案早就藏在里面 " 的想法当作量子系统的一般解释，并据此预测各种测量结果，就会发现它与实验不符。
这里的关键是：测量之前，两个光子共同处于一个纠缠态，各自的能量并没有确定下来；测量之后，我们得到了一个确定的能量值，而另一个光子的相应能量也随之确定。这种结果曾让许多人难以接受，也催生了文章开头那些令人头疼的形容词。
想象中的量子纠缠丨 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 "。
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。丨 AI 生成，改编 DOI: 10.1126/science.aeh1375 图 1
研究人员首先利用激光形成的 " 光镊 "，把一颗玻璃微珠悬浮起来，并对它进行冷却。光镊并不是一把看得见的镊子。它利用光对微小物体施加的力，把物体限制在一定范围内。
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。丨 AI 生成
有了这样的驻波结构，只要微珠的位置变化不大，它与光场之间的相互作用也就能得到明确的描述。这也是研究人员需要冷却微珠的另一个原因。
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？
这项研究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——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 生成的应用设想丨 AI 生成
原文链接
An experimental tour-de-force: Entanglement between glass bead and light
策划制作
来源丨中科院物理所（id：cas-iop）
