【基础科研】【战略】从贝尔实验谈起（二）_风闻

又有读者反应，对潘建伟的批评还有第三类，就是怀疑他实验中有猫腻，可能造假。这是很严重的指控；爲了做出正确的分析，我又重读了几遍那篇2017年墨子卫星的论文，并和Zeilinger的几篇老文章做对比。现在我可以有信心地说，潘建伟的实验设计，完全依据学术界的主流，物理上绝对没有问题。他们的结果，惊人的地方，在于工程的精度极高，尤其是整合到卫星上，防震必须做得完美；逻辑上不能绝对排除工程方面有造假的可能性，但是事实上并没有任何证据或暗示，所以也就没有理由做这样的指控。

爲了彻底消除任何人心中的疑虑，我在此详细讨论（这个话题的逻辑，连物理教授都会走偏，是非常专业的，所以非理工请勿入）这些指控中，最核心的那个，亦即纠缠光子对是由偏极分光镜（Polarization Beam Splitter，PBS）根据偏极方向拆分成两个，然后才能分开送出给两地的侦测器。这些人认爲，既然分光镜对偏极方向做了“测量”，那麽根据量子力学的原理，相干性消失，这对光子的偏极性必然会失去量子纠缠态，成为古典的“一左一右”（反对者假设了光子的偏极是左右旋的方式，其实这些贝尔实验所用的光子对，偏极是线性的；不过这个细节在逻辑上并不重要）。

上图来自潘建伟团队在2017年发表于《Science》的墨子卫星论文；PL是Pump Laser（激光源），波长405纳米（严格来说是近紫外线，“蓝光”只是对短波长光子的通称）；HWP是Half Wave Plate，QWP是Quarter Wave Plate，它们在光学实验里被广汎用来调整偏极的相位；DM1和DM2是Dichromatic Mirror，选频反射镜，它们必须对810纳米的出射光子有极高的反射率，但是对405纳米却是透明。

来自PL的高频光子通过Isolator、HWP、QWP和DM1之后，打入偏极分光镜（PBS）。这个PBS根据入射光子的线性偏极方向，决定将其做直角折射或者容许直线通过，所以光子进入图片左边的三角形环路时，可以是顺时针地绕，也可以是逆时针地绕；这种环路叫做Polarization Sagnac Interferometer，PSI，熟悉军工技术的读者可能见过，因爲所谓的激光陀螺仪，就是三个PSI，对应着XYZ三个轴向。在这里，不论是顺时针或逆时针，405纳米的光子都必须穿过一块非线性光学晶体，材质是PPKTP（Periodically Poled KTiOPO4），在此经过所谓的Half-Harmonic Generation（又叫Down Conversion）。简单来说，这种晶体能把一个入射光子转化成一对频率减半的810纳米光子，而且出射光子对在偏极方向上有着相反性的纠缠。

1990年代末，Weihs和Zeilinger所创的第三代贝尔实验，原本所用的非线性光学晶体是BBO（β-BaB2O4），它所产生的光子对，天然就会有个小夹角（大约6°），要分离它们很容易。PPKTP的亮度和聚焦性都比BBO好很多，但是它所产生的光子对却是完全同向的，所以会一起继续完成上图中的三角形环路，直到又遭遇了上面提过的偏极分光镜。

因爲光子对的频率波长相同、方向相同，只有偏极方向相反，所以要拆分它们，只能凴偏极方向来选择。刚好偏极分光镜就是专门干这件事的，于是光子对被分别送给DM1和DM2反射之后，经过PI（Piezo Steering Mirror）聚焦，再加入Beacon Laser（灯标激光，墨子卫星用绿光，地面站用红光）送往目的地，完成贝尔实验。

反对者的论点就在于，原本PPKTP产生的光子对有偏极相反的纠缠，它们的量子态可以写爲|H>|V>+|V>|H>（H是水平偏极态，V是垂直偏极态，|H>|V>指一号光子有水平偏极、二号则是垂直偏极，|V>|H>颠倒过来，两者叠加在一起，就不能被写成两个单独粒子态的简单张量乘积，换句话说，成爲纠缠态）；偏极分光镜把垂直（这里的水平和垂直，我取相对于实验桌，所以“垂直”指的是突出上图纸面的方向）偏极的光子折射90°，水平偏极的光子则直线通过，所以已经进行了偏极方向的测量，打破了纠缠，光子对的量子态成爲古典的|H>|V>或|V>|H>，后续的实验就不可能表现出量子现象，贝尔实验必须失败。

上面这个逻辑论述，有其道理，但是问题在于它假设纠缠光子对只走一个方向（顺时针或逆时针）。然而稍早，我已经提过，入射的高频光子，在进入三角形环路的时候，也必须通过那个偏极分光镜，如果这个光子原本就处在线性偏极方向不确定的相干态（事实上潘建伟的论文提到他们必须把高频光子先特别转化为圆极化的本征态，Circular Polarized Eigenstate，其目的虽然没有明说，但我认爲应该就是爲了保证在线性偏极方向上处于相干态），那麽整个环路，包括出射光子对在内，也会处于顺时针和逆时针相叠加的相干态。而这个环路的设计，就是顺时针的折射=逆时针的通过，反之亦然。

所以纠缠光子对的完整量子态描述，在考虑偏极分光镜之前是：|s,H>|s,V>+|s,V>|s,H>+|n,H>|n,V>+|n,V>|n,H>，这里s代表顺时针，n代表逆时针。如果我们把抵达DM1的光子称爲一号，DM2称爲二号，那麽量子态在考虑偏极分光镜之后，成爲|s,V>|s,H>+|n,H>|n,V>。既然我们没有去测量顺时针还是逆时针，这个自由度并没有成爲确定的物理量，所以可以忽略不计，于是量子态还是成爲|V>|H>+|H>|V>，正是贝尔实验所需的纠缠态。

我在一开始研究这个问题的时候，就觉得这个使用PSI的解决方案非常聪明（Clever）；后来发现它的确是由好几个国际团队在2000年代，一再尝试、精益求精，才完善得到的。有兴趣深入研究的读者，可以参考Zeilinger在2007年所写的这篇总结论文https://www.univie.ac.at/qfp/publications3/pdffiles/2007-24.pdf。过去十年，全世界贝尔实验的精度和距离，都突飞猛进，最主要的贡献，就来自从BBO改爲PPKTP+PSI的设计改进，潘建伟的团队也不例外。