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Sandbox Physics
量子物理:读懂证据

诺奖 A · 证据与操控

Aspect 在光子飞行途中切换分析器

Sandbox Physics ·

1982 年 Bell 实验快速改变光路,增加了什么检验,又保留了哪些假设?

在光子飞行途中改变设置

偏振器如果一直朝着同一个方向,关于这个设置的信息就有充足时间传到另一侧。1982 年,Aspect、Dalibard 和 Roger 把设置改在光子飞行途中切换。他们在每一臂放一个光学开关,让光轮流走向两个固定的偏振器。换一条光路,就换了测量偏振的问题,不必真的转动部件。

他们想让设置换得足够晚:就算有消息以光速奔向远端,也赶不上那边的测量。要紧的比较随之变得具体——开关多久换一次,光横穿两侧又要多久?

两个事件相隔太远,光在两者的时间差内赶不过去,就叫作“类空间隔”。下式中,L 是距离,带三角符号的 t 是同一惯性系中的时间差,c 是光速。原论文比较的是约十纳秒的切换间隔,以及两侧之间约四十纳秒的光行时间。

真正检查时序,要先定义每个事件,再算上探测延迟、路径长度和计入误差的余量。电指令发出的时刻,不一定就是光子遇到所选分析器的时刻。图省事,用一个时间戳代替所有事件,结论可能会反过来。

c ∣Δt∣<Lc\,|\Delta t|<L

证据阅读:A. Aspect, J. Dalibard and G. Roger (1982), Experimental Test of Bell’s Inequalities Using Time-Varying Analyzers, Phys. Rev. Lett. 49, 1804–1807

开关是准周期的,不是随机的

开关里的声波使光衍射,把它送进选定的光路。两侧各有一个独立驱动源,频率也不同。切换随时间变化,却仍按可以预判的周期运行,作者称它为“准周期”,并明确提出还需要更理想的随机、完整切换。

两条实测序列之间即使几乎没有普通意义上的相关,可预测性仍然要紧:规则事先知道,模型就可能预判下一次设置。反过来,设置又快又不可预测,也还得放在合适的时空位置;如果结果早有时间收到远端的选择,再随机也补救不了。

证据阅读:A. Aspect, J. Dalibard and G. Roger (1982), Experimental Test of Bell’s Inequalities Using Time-Varying Analyzers, Phys. Rev. Lett. 49, 1804–1807Aspect (2022), Experimental tests of Bell’s inequalities: a first-hand account

分清这篇论文用的是哪种 Bell 统计量

原文把归一化后的计数率组合成一个量,局域理论给它的上界是零,报告值为 0.101,不确定度 0.020。二值结果的 CHSH 统计量上界是二,两者不能直接比数值;用了同一个字母,也不是同一个量。

读的时候可以做个练习:在每条不等式旁边写下结果有哪几种取值、怎样归一化、用了哪些辅助测量,再看丢失的事件是算作一种结果、直接忽略,还是靠额外假设处理。这样,每个违反数值都能放回它自己的约定里理解。

证据阅读:A. Aspect, J. Dalibard and G. Roger (1982), Experimental Test of Bell’s Inequalities Using Time-Varying Analyzers, Phys. Rev. Lett. 49, 1804–1807

计数和校正,也是结论的一部分

符合信号里有一部分是背景,用延迟事件来估计。这种校正要有自己的测量方法。扣背景可以是合理的,但读者应当知道减掉了什么,它的误差又怎样带进最后的比较。

两种假想的改动要分开看。挪动延迟窗口,检查的是背景估计;提高探测效率,改变的是哪些发出的光子对能被看到。前者查得再清楚,也替后者作不了保。时序、光学通量和计数分析彼此相连,回答的却是不同的问题。

证据阅读:A. Aspect, J. Dalibard and G. Roger (1982), Experimental Test of Bell’s Inequalities Using Time-Varying Analyzers, Phys. Rev. Lett. 49, 1804–1807

一次进展,也留下了待做的事

切换实验属于一连串改进光源、分析器与探测的工作。它把“消息来不来得及传到另一边”变成了可以用装置检验的问题。后来的团队再把更难预测的设置选择与更高效的探测结合起来,让两项要求在同一次采集中接受检验。

这样的时序限制了两臂之间一种可能的因果联系;探测假设与开关的可预测性,则仍要分别评估。无论采用哪种安排,量子关联都不能携带可控的超光速消息。

证据阅读:Aspect (2022), Experimental tests of Bell’s inequalities: a first-hand account

来源与阅读说明

本文依据 APS 网站上 Aspect、Dalibard 和 Roger 1982 年 PRL 的全文,包括文末关于切换只是准周期的说明,并参考了 Aspect 后来的亲历回顾。文中的时空公式只在一个惯性系里做简化检查,没有重建装置的计时误差。 链接的理想预告光子模型检查记录的时序和标定误差界,保留全部已接受的漏检与时序不合格试验,不复现 1982 年实测开关曲线。

  1. A. Aspect, J. Dalibard and G. Roger (1982), Experimental Test of Bell’s Inequalities Using Time-Varying Analyzers, Phys. Rev. Lett. 49, 1804–1807
  2. Aspect (2022), Experimental tests of Bell’s inequalities: a first-hand account
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