突破性实验：利用双能级发射器散射证明贝尔不等式违反

量子力学中最吸引人的一个方面是纠缠，这是一种粒子以超越经典物理的方式相互连接的现象。这种联系使它们能够表现出局域、预先存在的隐变量无法解释的相关性。对纠缠的关键实验测试是贝尔不等式，它对局部现实主义解释下粒子的强相关性施加了限制。最近发表在《自然物理》的研究取得了突破，利用双能级发射体上的光子散射证明了贝尔不等式的违反，这是我们对纠缠理解和利用的重大进步。

纠缠的本质在于相关性的非局域性。想象一下两个纠缠的光子，比如爱丽丝和鲍勃，被巨大的距离隔开。测量一个光子的偏振会立即确定另一个光子的偏振，这取决于它们所共享的特定纠缠状态。这种相关性是瞬间的，似乎违背了光速限制和经典物理学中预先确定的属性的概念。

贝尔不等式由约翰·贝尔于1964年提出，为区分纠缠和局域现实主义提供了一个数学框架。局域现实主义规定，粒子具有独立于测量的确定性质，任何相关性都是通过局域相互作用建立的。贝尔不等式对这些相关性可以有多强设置了限制。如果一个实验持续违反了这个限制，它表明局部现实主义解释是不充分的，纠缠是存在的。

先前对贝尔不等式违反的演示通常涉及复杂的设置，其中泵浦光子分裂成两个纠缠光子。然而，这些方法效率低下，需要仔细控制。新方法利用了一种更简单、更高效的技术：光子在双能级发射器上的散射。

这种发射器，通常是量子点，可以被认为是一个微小的、具有两个能量级的系统。当单个光子与发射器相互作用时，它主要会反射而不改变其状态（弹性散射）。然而，如果两个光子同时相互作用，发射器可以吸收一个光子，进行能量跃迁，然后重新发射一个不同的光子（非弹性散射）。这种相互作用会在两个散射光子之间产生纠缠。

研究人员使用专门设计的光子波导（一种光导结构）来增强光子与发射器之间的相互作用。这种强耦合允许通过双光子散射过程有效地生成纠缠态。

为了确认纠缠，研究人员在散射光子上使用不平衡马赫-蔡恩德干涉仪（UMZI）进行了贝尔不等式测试。通过操纵UMZI中的路径长度，他们可以探测光子的能量和到达时间之间的相关性。实验结果显着违反了CHSH（Clauser-Horne-Shimony-Holt）贝尔不等式，这是一种特定的贝尔不等式测试。这种违反在统计学上证明了光子之间的相关性不能用局域现实主义来解释，并确认了纠缠的存在。

这一成就为量子技术的未来发展带来了巨大的希望。双能级发射器方法的简单性和效率具有以下几个优势。它消除了对复杂设置的需求，并有可能降低能耗。此外，该方法为芯片集成打开了大门，为小型化和可扩展的量子器件铺平了道路。

利用双能级发射器散射成功违反贝尔不等式，是我们在利用纠缠实现实际应用的道路上迈出的关键一步。从量子通信和密码学到先进的量子计算，这项研究为未来铺平了道路，在这个未来中，量子领域的奇异和违反直觉的性质将成为技术突破的基石。