量子力學(xué)中最吸引人的一個(gè)方面是糾纏，這是一種粒子以超越經(jīng)典物理的方式相互連接的現(xiàn)象。這種聯(lián)系使它們能夠表現(xiàn)出局域、預(yù)先存在的隱變量無法解釋的相關(guān)性。對(duì)糾纏的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)測(cè)試是貝爾不等式，它對(duì)局部現(xiàn)實(shí)主義解釋下粒子的強(qiáng)相關(guān)性施加了限制。最近發(fā)表在《自然物理》的研究取得了突破，利用雙能級(jí)發(fā)射體上的光子散射證明了貝爾不等式的違反，這是我們對(duì)糾纏理解和利用的重大進(jìn)步。

糾纏的本質(zhì)在于相關(guān)性的非局域性。想象一下兩個(gè)糾纏的光子，比如愛麗絲和鮑勃，被巨大的距離隔開。測(cè)量一個(gè)光子的偏振會(huì)立即確定另一個(gè)光子的偏振，這取決于它們所共享的特定糾纏狀態(tài)。這種相關(guān)性是瞬間的，似乎違背了光速限制和經(jīng)典物理學(xué)中預(yù)先確定的屬性的概念。

貝爾不等式由約翰·貝爾于1964年提出，為區(qū)分糾纏和局域現(xiàn)實(shí)主義提供了一個(gè)數(shù)學(xué)框架。局域現(xiàn)實(shí)主義規(guī)定，粒子具有獨(dú)立于測(cè)量的確定性質(zhì)，任何相關(guān)性都是通過局域相互作用建立的。貝爾不等式對(duì)這些相關(guān)性可以有多強(qiáng)設(shè)置了限制。如果一個(gè)實(shí)驗(yàn)持續(xù)違反了這個(gè)限制，它表明局部現(xiàn)實(shí)主義解釋是不充分的，糾纏是存在的。

先前對(duì)貝爾不等式違反的演示通常涉及復(fù)雜的設(shè)置，其中泵浦光子分裂成兩個(gè)糾纏光子。然而，這些方法效率低下，需要仔細(xì)控制。新方法利用了一種更簡(jiǎn)單、更高效的技術(shù)：光子在雙能級(jí)發(fā)射器上的散射。

這種發(fā)射器，通常是量子點(diǎn)，可以被認(rèn)為是一個(gè)微小的、具有兩個(gè)能量級(jí)的系統(tǒng)。當(dāng)單個(gè)光子與發(fā)射器相互作用時(shí)，它主要會(huì)反射而不改變其狀態(tài)（彈性散射）。然而，如果兩個(gè)光子同時(shí)相互作用，發(fā)射器可以吸收一個(gè)光子，進(jìn)行能量躍遷，然后重新發(fā)射一個(gè)不同的光子（非彈性散射）。這種相互作用會(huì)在兩個(gè)散射光子之間產(chǎn)生糾纏。

研究人員使用專門設(shè)計(jì)的光子波導(dǎo)（一種光導(dǎo)結(jié)構(gòu)）來增強(qiáng)光子與發(fā)射器之間的相互作用。這種強(qiáng)耦合允許通過雙光子散射過程有效地生成糾纏態(tài)。

為了確認(rèn)糾纏，研究人員在散射光子上使用不平衡馬赫-蔡恩德干涉儀（UMZI）進(jìn)行了貝爾不等式測(cè)試。通過操縱UMZI中的路徑長(zhǎng)度，他們可以探測(cè)光子的能量和到達(dá)時(shí)間之間的相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯著違反了CHSH（Clauser-Horne-Shimony-Holt）貝爾不等式，這是一種特定的貝爾不等式測(cè)試。這種違反在統(tǒng)計(jì)學(xué)上證明了光子之間的相關(guān)性不能用局域現(xiàn)實(shí)主義來解釋，并確認(rèn)了糾纏的存在。

這一成就為量子技術(shù)的未來發(fā)展帶來了巨大的希望。雙能級(jí)發(fā)射器方法的簡(jiǎn)單性和效率具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。它消除了對(duì)復(fù)雜設(shè)置的需求，并有可能降低能耗。此外，該方法為芯片集成打開了大門，為小型化和可擴(kuò)展的量子器件鋪平了道路。

利用雙能級(jí)發(fā)射器散射成功違反貝爾不等式，是我們?cè)诶眉m纏實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的道路上邁出的關(guān)鍵一步。從量子通信和密碼學(xué)到先進(jìn)的量子計(jì)算，這項(xiàng)研究為未來鋪平了道路，在這個(gè)未來中，量子領(lǐng)域的奇異和違反直覺的性質(zhì)將成為技術(shù)突破的基石。