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08 量子光学 Quantum Light(第5页)

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通过测量相关性,你可以确定发牌人是否在作弊,因为我们一般认为发牌人所用的是两副独立、完整的牌。

我们可以用偏振代替牌来解释光子的这种相关性。

也就是说,一个水平偏振的光子可能被看作“红色”

光子,而一个垂直偏振的光子可能被看作“黑色”

光子。

如果一个光源一次产生两个光子,就像之前描述的,它总是产生具有特定偏振方向的光子,比如一个垂直的和一个水平的,或者两个都是水平的,就可以说这个光源产生了相关的光子束。

这种类型的相关性被称为“经典相关”

,因为它和经典对象(如扑克牌)的情况一样。

相关性在其本质上具有量子力学的特性。

假设一对光子对有两种可能的初始状态,第一种是水平偏振,第二种是垂直偏振,或者第一种是垂直偏振,第二种是水平偏振。

在经典世界中,两个粒子的这两种偏振组合是相互排斥的:也就是说这两个光子要么是水平-垂直偏振组合要么是垂直-水平偏振组合,并且每一种组合发生的概率都是50%。

但是,正如单光子可以同时处于水平偏振和垂直偏振的叠加态一样,这对光子也可以处于叠加态,即水平-垂直偏振和垂直-水平偏振的叠加态,如图37所示。

这种相关性比任何经典粒子更强,被称为纠缠。

它是量子物理学中最神奇的性质,并产生了深远的影响。

图37 产生偏振纠缠光子的光源

这些都是贝尔实验所揭示出来的。

在这样的测试中,你不仅要考虑每个粒子的水平偏振和垂直偏振之间相关的可能性,还要考虑对角向偏振(用D表示)和反对角向偏振(用A表示)之间相关的可能性,这两个偏振的方向角度都在水平和垂直偏振的正中间(对角向偏振光的一个例子展示在图35中。

反对角向偏振的方向与对角向偏振的成直角)。

用纸牌来类比的话,也就是说你看到的纸牌花色不是红色(相当于水平偏振)就是黑色(相当于垂直偏振)。

或者你可以看到纸牌的背面,不是绿色(相当于对角向偏振)就是蓝色(相当于反对角向偏振)。

一个量子游戏

现在想象一个纸牌游戏,发牌人从任意一副牌中抽牌并发给每个玩家一张牌。

这意味着,每个玩家手中有一张牌的正面花色(用“正”

表示)为红色(用R表示)或黑色(用B表示),牌的背面颜色(用“背”

表示)为绿色(用g表示)或蓝色(用b表示)。

发牌人选择用以下的方式发牌:如果一个玩家只能看到他自己牌的正面,另一个玩家只看到他自己牌的背面,用(正,背)表示,那么在这种情况下,两位玩家间永远不会出现(R,B)[6]的结果。

同样,如果第一个玩家看他自己牌的背面,另一个看他自己牌的正面,即(背,正),那么他们也永远不会看到(B,R)的结果。

然而,当两个玩家都看的是牌的正面(正,正),他们有时会看到(R,R)。

由此,你可以根据逻辑推理得知,如果他们都看牌的背面(背,背),他们就一定会看到为(g,g)。

这就是经典的纸牌游戏中会发生的情况。

但事实上,当你用量子相关的光子(或其他粒子)做这样的游戏时,结果将完全不同。

当第一个玩家测量水平偏振、第二个玩家测量对角向偏振(或者两个玩家调换)时,结果发现他们永远也得不到(V=0,D=1)和(D=1,V=0)这两个结果。

而当他们都使用对角向偏振进行测量时,他们有时会得到结果(D=1,D=1)。

如果据此进行逻辑推理,当他们都使用水平方向的偏振片测量光子时,他们应该有时会得到结果(H=1,H=1),但是,当他们真正做这个实验时,他们却永远不会得到这个结果。

这种量子卡牌游戏的所有可能结果都在图表1的表格中。

这样的实验是可操作的,而且已经使用光子验证过了。

图表1 一个量子纸牌游戏可能结果的概率表

事物的定域属性

那么到底发生了什么呢?这是量子物理学一个根本的怪异之处:量子卡牌游戏的结论是,光源产生光子时,光子的偏振并没有被预先确定。

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