科学家实现玻璃珠与光束的量子纠缠突破实验

写量子纠缠的文章总是一种挑战，因为有太多陈词滥调需要避开：神秘、幽灵般、诡异、怪异。纠缠其实不是这些东西，但它又似乎是所有这些东西——可以说是各种陈词滥调的叠加态。好了，既然已经在第二句话里把这些套话都用完了，我们来看看一组研究人员是如何让一束光与一颗玻璃珠实现纠缠的，坦白说，这是相当了不起的成就。

没有陈词滥调的纠缠

量子纠缠说白了就是这样一个概念：如果两个物体是相连的，那么它们的行为在某些方面会存在关联。举个不太恰当的例子：我的上臂和下臂在相对位置上高度相关，因为它们在肘部相连。没有人会对此感到惊讶，因为我们能看出它们其实是一个被称为”手臂”的单一物体。

两个光子在某种意义上也可以被连接起来，这意味着它们之间也存在关联。在这种情况下，我们会（天真地）感到惊讶，原因有三。首先，我们习惯把光子看作是无法连接的独立物体——这其实是一种理解上的误区。其次，当我们把两个光子连接起来时，连接方式是有限的：这两个光子在极化方向上可能完全不相关，但在能量上却可能高度相关。

第三点，也是最关键的一点：把两个单独的光子变成一个整体的那种连接，只能通过对光子进行破坏性测量的结果来观察，除此之外我们看不到这种连接。这最后一个特性（在较小程度上，第二个特性也是如此）是量子力学特有的，完全超出我们日常经验的范畴。

为了让大家明白这最后一个特性有多么超出我们的经验，还要补充一点：这种关联的作用方式不存在时间延迟。即便两个纠缠光子相距整个宇宙的直径那么远，对一个光子的测量也会立刻影响对另一个光子的测量结果。

（不，这不能用来实现即时通信。不，我不打算解释原因——这就是为什么我们有评论区的存在。）

纠缠在实际中是什么样子

假设有一个单一光子，我们通过某种巧妙的手段把它分成两个。每个新光子都携带了原光子的一部分能量。具体的能量分配是未知的，所以每个光子都处于多种能量的叠加态——有一串概率告诉我们找到该光子具有某个特定能量的可能性。然而，这两个光子的能量之和必须等于原光子的能量。当我们测量其中一个光子的能量时，第二个光子的能量就被瞬间确定了。

你可能会想，这不过是个把戏：每个光子一直都有确定的能量，只是我们从来没去检验过。但如果你这样假设并据此预测测量结果，你会得到错误的答案。

结论是：这两个光子在测量之前拥有多种能量，测量之后只有一种能量，测量其中一个会设定另一个的能量。这个结果让很多人感到不安，也催生了本文开头提到的那些令人反感的陈词滥调。

如果量子力学真的是这样，为什么我们在日常生活中看不到这种现象呢？好问题。等到各种竞争理论之间的”笼中赛”结束后，我会很高兴地告诉大家答案。

目前为止，各种竞争理论的共同点在于：物体越大，它与世界其他部分的相互作用（你可以把”相互作用”理解为一种测量）就越多，这种相互作用会迅速破坏这些关联，关联一旦产生就会被破坏。这正是为什么光场与大块玻璃珠之间的量子纠缠如此不寻常。在正常情况下，玻璃珠的体积大小会在纠缠能被测量之前就将其冲散。

实现玻璃珠与光束的纠缠

研究人员使用激光光束通过光学镊子来悬浮并冷却一颗玻璃珠。激光被限制在一对镜子之间，这被称为光学腔，玻璃珠则位于腔的中心。光学腔的作用是严格限定光场。本质上，两面镜子之间的距离决定了光场的相位和频率，并在镜子之间创造出一系列固定位置，这些位置上的光强度有高有低——这被称为驻波模式，在吉他弦上也能看到类似现象。

驻波模式意味着，只要玻璃珠不移动太多，珠子与光场之间的相互作用就能被很好地确定下来，这也是需要冷却玻璃珠的另一个原因。

这里的”冷却”有特殊含义。玻璃珠被困在激光束中，但这种束缚更像是用橡皮筋固定，而不是用金属镊子夹住。玻璃珠会在激光束内来回振动。从这个意义上说，玻璃珠是”热”的。要冷却玻璃珠，就必须让这种振动减缓，直到尽可能静止（它永远不可能完全静止）。实现方法是略微降低激光频率，使其偏红，这样玻璃珠就会通过多普勒效应持续向光场释放能量。从玻璃珠散射出去的光，在这个过程中总会从玻璃珠那里获得一点能量。

一旦冷却完成，激光还需要以恰当的方式给玻璃珠一点”推动”，才能让两者纠缠起来。这是通过略微提高激光频率（也就是偏蓝）来实现的。此时，之前用来去除能量的多普勒频移，反而变成了添加能量。

总结一下，我们有两束激光，一束用来冷却，一束用来加热。但冷却光束只有在玻璃珠运动超过其绝对最小值时才能起到冷却作用，而加热光束正是确保这一点发生的因素。这意味着这两个光场通过玻璃珠的运动彼此产生了关联。这也意味着光场与玻璃珠发生了纠缠。但我们该如何测量这一点呢？

有一小部分光会从其中一面镜子泄漏出去，从而摆脱光学腔的约束。这使得相位和振幅出现微小的波动，这些波动与玻璃珠的运动相关。由于两个光场都会从腔中泄漏出来，两者之间的关联就可以被测量，从而让我们观察到光场与玻璃珠之间的纠缠。

这个实验绝非易事。测量结果噪声相当大，需要依靠对整个系统的精确建模，才能区分纠缠态和非纠缠态。但这也是此类测量中的首次，所以我们应该期待情况会逐步改善。

尽管我本人是那种很看重”这有什么用？”的人，但我仍然欣赏这类成果，因为它展示了高超的技术造诣，也证明了量子力学确实无处不在。不过，研究人员确实看到了应用前景。在量子通信中，光是传递量子信息的方式，但储存光却很困难。这种机械系统可以让信息以”记忆”的形式被局部储存起来。而且，由于这是一个完全人工构建的系统，我们可以按照自己想要的性质对其进行设计，在我看来，这使它颇具前景。

《科学》杂志，2026年，DOI: 10.1126/science.aeh1375

Q&A

Q1：玻璃珠与光束的量子纠缠实验是如何实现的？

A：研究人员利用光学镊子，借助激光将一颗玻璃珠悬浮并冷却在光学腔的中心，通过精确控制激光频率实现冷却和加热效果，使光场与玻璃珠的运动产生关联，从而形成量子纠缠。

Q2：这项纠缠实验的测量结果可靠吗？

A：这项实验的测量存在较大噪声，需要依靠精确的系统建模才能区分纠缠态与非纠缠态。虽然这是该类测量的首次尝试，但研究人员预计未来精度会逐步提升。

Q3：玻璃珠与光的纠缠有什么实际应用价值？

A：研究人员认为该技术在量子通信领域有应用前景。由于光难以直接储存，这种机械系统可以作为本地信息存储的”记忆”载体，并且由于是人工系统，可以按需设计其特性。