1950年 ， 吴健雄和Shaknov在一个准确验证量子电动力学的工作中 ， 用正负电子湮灭 ， 首次实现了光子偏振的量子纠缠 。 他们的关注点不在于量子纠缠 ， 也没有研究量子纠缠的性质 。 事实上 ， 这里的量子纠缠是1957年Bohm和Aharonov注意到的 。 但是我们可以说 ， 这是第一次实验上实现了明确的、空间分离的量子纠缠态 。
1964年 ， 贝尔（John Bell）提出 ， 定域实在论与量子力学是矛盾的 。 他发表了一个不等式 ， 是定域隐变量理论都应该满足的不等式 。 后来所有这一类的不等式都叫作贝尔不等式 ， 是关于两个子系统的测量结果的关联 ， 每个子系统由一个局域的观察者对之进行测量 。 用定域隐变量理论计算各种测量结果的关联 ， 其结果满足贝尔不等式 。 而在量子力学中 ， 如果这两个子系统用某些量子纠缠态描述 ， 那么根据量子力学计算的结果是违反贝尔不等式的 。
贝尔不等式将原来带有形而上学味道的讨论转变为可以用实验定量决定的非此即彼的判定 。 将哲学问题转化为定量的科学问题 。 检验大自然是否满足贝尔不等式的实验叫作贝尔测试 。 作贝尔测试需要使用分居两地又处于量子纠缠态的子系统 ， 也需要迅速高效的探测 ， 以及事先不可预测的对于每个测量装置的独立安排 。 所有有关贝尔不等式（或称者贝尔定理、贝尔测试）的工作都是在贝尔的开创性工作基础之上 。
03
三位诺奖得主的实验
判定量子力学胜利
但是贝尔最初的不等式的具体形式所依赖的假设过于理想化 ， 不适合真实的实验 。 1969年 ， 约翰·克劳泽、Michael Horn Abner Shimony和Richard Holt推广了贝尔的不等式 ， 通常称为CHSH或者Bell-CHSH不等式 。 在很普遍合理的假设下 ， 只要有定域实在性 ， Bell-CHSH不等式即可成立 ， 而且可以在实验上检验 。 当然 ， 量子力学也是违反它的 。 所以 ， 量子力学与定域实在论哪个正确 ， 就看哪个与实验符合 。
1972年克劳泽作为一名博士后 ， 还和一位博士生Freedman做了初步的实验尝试 ， 得到了违反贝尔不等式的实验结果 。 但是这个实验有很多漏洞和局限 ， 实验中产生和探测粒子的效率低 ， 测量也是事先设置好 。 因此 ， 逻辑上 ， 有可能隐变量使得对粒子的探测有选择性 ， 从而导致贝尔不等式的违反 。
约翰·克劳泽研究示意图 。
局域性是贝尔不等式的一个关键前提假设 。 相互分离的两个子系统的测量必须相互独立 ， 包括选择做哪种测量（比如位置还是动量 ， 是横向的磁矩还是纵向的磁矩） 。 因此必须保证二者的测量的时间差足够小 ， 以至于不可能有物理信号从一方传到另一方 。 因为所有的信号速度不超过光速 ， 实验上必须保证双方测量的时间差小于距离除以光速 。显然 ， 克劳泽-Freedman的固定设置是不满足局域性要求的 。
1981和1982年 ， 阿兰·阿斯佩与合作者Phillipe Grangier Gerard Roger和Jean Dalibard做了一系列实验 ， 在相当的程度上实现局域性 。 在他们的实验中 ， 光子在到达每个仪器之前 ， 每个测量光子偏振的装置的方向随机改变 。 他们观察到了对Bell-CHSH不等式的违反 ， 而且置信度是几十个标准偏差 。 相比之下 ， 克劳泽-Freedman实验的置信度只有6个标准偏差 。
阿兰·阿斯佩研究示意图 。
这些实验以及后来的很多贝尔测试实验都判定量子力学胜利 ， 定域实在论失败 。 但是这些工作中仍然存在技术性漏洞 ， 如在探测器效率或定域性上 。 两个仪器之间距离很短 ， 所以并不能保证测量装置的改变是真正随机的 ， 因此没有关闭局域性漏洞 。
直到1997年 ， 安东·蔡林格研究组的实验中 ， 两个纠缠粒子相距400米 ， 才补上了局域性漏洞 。2015年 ， 有几个实验都同时补上局域性漏洞和探测漏洞 ， 其中一个实验来自蔡林格组 。
安东·蔡林格研究示意图 。
下面介绍一下诺奖材料中并未提及的“自由选择漏洞” 。 贝尔不等式是关于两个子系统的各种测量结果之间的关联 ， 涉及测量装置的几种不同设置 ， 比如测量的方向 。 这在贝尔不等式的推导中是完全自由的 ， 与隐变量无关 。 在贝尔测试中 ， 需要自由随机选择这几个不同设置 。 长期以来 ， 在实验中 ， 都是由仪器来随机选择实验装置的安排 。 这并不理想 ， 因为万一这些仪器所作的选择本身就是由隐变量决定的呢？这叫做“自由选择漏洞” 。 贝尔曾提出可以用人的自由选择来保证实验装置的安排的不可预测性 。 但是当时的技术做不到 。
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