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走近量子纠缠——贝尔不等式

1963-1964年，在长期供职于欧洲核子中心(CERN)后，

约翰middot;贝尔有机会到美国斯坦福大学访问一年。北加

州田园式的风光，四季宜人的气候，附近农庄的葡萄美酒，

离得不远的黄金海滩，加之斯坦福大学既宁静深沉，又宽松

开放的学术气氛。这美好的一切，孕育了贝尔的灵感，启发

了他对EPR佯谬及隐变量理论的深刻思考。

贝尔开始认真考察量子力学能否用局域的隐变量理论来

解释。贝尔认为，量子论表面上获得了成功，但其理论基础

仍然可能是片面的，如同瞎子摸象，管中窥豹，没有看到更

全面、更深层的东西。在量子论的地下深处，可能有一个隐

身人在作怪：那就是隐变量。

根据爱因斯坦的想法，在EPR论文中提到的，从一个大粒

子分裂成的两个粒子的自旋状态，虽然看起来是随机的，但

却可能是在两粒子分离的那一刻(或是之前)就决定好了的。

打个比喻说，如同两个同卵双胞胎，他们的基因情况早就决

定了，无论后来他(她)们相距多远，总在某些特定的情形下，

会作出一些惊人相似的选择，使人误认为他们有第六感，能

超距离地心灵相通。但是实际上，是有一串遗传指令隐藏在

它们的基因中，暗地里指挥着他们的行动，一旦我们找出了

这些指令，双胞胎的lsquo;心灵感应rsquo;就不再神秘，

不再需要用所谓lsquo;非局域rsquo;的超距作用来解释

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了。

尽管粒子自旋是个很深奥的量子力学概念，并无经典对应

物，但粗略地说，我们可以用三维空间的一段矢量来表示粒

子的自旋。比如，对EPR中的纠缠粒子对A和B来说，它们

的自旋矢量总是处于相反的方向，如下图中所示的红色矢量

和蓝色矢量。这两个红蓝自旋矢量，在三维空间中可以随机

地取各种方向，假设这种随机性是来自于某个未知的隐变量

L。为简单起见，我们假设L只有八个离散的数值，

L=1,2,,3,4,5,6,7,8，如下图所示，分别对应于三维空间

直角坐标系的八个卦限。

由于A、B的纠缠性，图中的红矢和蓝矢总是应该指向相

反的方向，也就是说，红矢方向确定了，蓝矢方向也就确定

了。因此，我们只需要考虑A粒子的自旋矢量(红矢)的空间

取向就够了。假设红矢出现在八个卦限中的概率分别为n

1,n2...n8。由于红矢的位置在8个卦限中必居其一，

因此我们有：

n1+n2+n3+n4+n5+n6+n7+n8=1。

现在，我们列出一个表，描述A、B的自旋矢量在3维空

间可能出现的8种情况。下图中的左半部分列出了在这些可

能情况下，自旋矢量在xyz方向的符号：

既然AB二粒子系统形成纠缠态，互为关联，我们便定义

几个关联函数，用数学语言来更准确地描述这种关联的程

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度。比如，我们可以如此来定义Pxx(L)：观察x方向红

矢的符号，和x方向蓝矢的符号，如果两个符号相同，函数

Pxx(L)的值就为+1，否则，函数Pxx(L)的值就为-1。

我们从上表左边列出的红矢蓝矢的符号不难看出，Pxx(L)

的8个数值都是-1。然后，我们使用类似的原则，可以定义

其他的关联函数。比如说，Pxz(L)，是x方向红矢符号，

与z方向蓝矢符号的关联，等等。

在上图中的右半部分，我们列出了Pxx(L)以及Pxz

(L)、Pzy(L)、Pxy(L)的数值。

现在，贝尔继续按照经典的思维方式想下去：我们的小孙

悟空A和B蹦出石头缝时，它们的两个自旋看起来是随机的，

但实际上是按照上面的列表互相关联。然后，他们朝相反方

向拼命跑。经过了一段时间之后，两个小孙悟空分别被如来

佛和观音菩萨抓住了。如来和观音分别对A和B的自旋方向

进行测量。因为L是不可知的隐变量，因此，只有关联函数

的平均值才有意义。根据上面表中的数值，我们不难预测一

下这几个关联函数被测量到的平均值：

Pxx=minus;n1minus;n2minus;n3minus;n4

minus;n5minus;n6minus;n7minus;n8=minus;1

Pxz=minus;n1+n2+n3minus;n4+n5minus;n

6minus;n7+n8