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量子纠缠实验不是您可以在玩具反斗城的科学套装区购买的东西。我所知的最便宜的套装也是微型化的奇迹，但仍然要花费 20,000 欧元。不过，在过去一个月里，我只花了区区几百美元就组装了一个简陋的版本。它非常简单——简单到几乎无法工作，更不用说产生可靠的结果了。但是，想到使用自制设备观察幽灵般的超距作用是如此新颖和令人兴奋，以至于我想与所有修补匠、创客、黑客和科学展览参赛者分享。去年秋天，我在构建一个超简单云雾室时产生了想法。我的初始设计在观察粒子轨迹方面遇到了麻烦，并且想检查我搜罗的放射性材料是否真的具有放射性。所以我翻出了一对Aware Electronics在特拉华州威尔明顿的公司多年前给我的盖革计数器，用于 9/11 事件后对消费级辐射探测器的评估。每次您听到盖革计数器发出咔哒声，它都检测到一个粒子——在伽马辐射的情况下，这意味着一个高能光子。这让我想到，盖革计数器可以替代单光子探测器，而单光子探测器是那个 20,000 欧元系统的大部分成本。通过查阅文献，我发现最早的纠缠实验是由恩斯特·布勒和 H.L. 布拉特以及R.C. 汉纳在 1948 年独立完成的，他们使用了盖革计数器。这是吴健雄和欧文·沙克诺夫更著名的工作的前身，他们使用更灵敏的探测器重现了结果。在物理学史上的一个奇怪的转折中，这些研究人员并没有将他们的工作与纠缠本身联系起来，更不用说爱因斯坦对这种现象的困惑了。几年后，理论家大卫·玻姆和亚基尔·阿哈罗诺夫意识到，这些实验为爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基和内森·罗森著名的 EPR 思想实验注入了活力。如今，加州理工学院、爱丁堡大学和其他地方的物理专业的学生经常进行吴-沙克诺夫实验。但是，对于我们这些缺乏这些著名机构资源的人来说呢？在大卫·普鲁奇的鼓励下，他几乎发明了业余量子物理学家的类别，我决定在我的地下室工作室里尝试重现布勒-布拉特实验。我使用的零件是
两个 Aware RM-60 盖革计数器
放射性钠-22 圆片
1 英寸直径的塑料管和木塞
Aware 巧合计数箱
盖革计数器到 iPad 接口箱（由 Radio Shack 零件组装）
运行 Geiger Bot 应用程序的 iPad
上述设备的电缆
铅罐
两个铝条
除了便宜之外，盖革计数器作为单光子探测器还具有两个主要优势。首先，通过检测伽马射线而不是可见光或红外光子，它们不需要比夜晚更暗的条件，而这正是光学纠缠实验的祸根。其次，很容易购买到纠缠伽马射线光子的源。一小块放射性钠-22圆片售价 80 美元，而纠缠光学光子源则为 1,400 美元。当钠原子衰变时，它们会释放出反电子或正电子，而正电子又会与附近的电子湮灭，从而产生纠缠的伽马射线光子对。（作为一个在《星际迷航》中长大的人，在互联网上订购反物质让我感到非常兴奋。）该圆片被评为可以安全处理，尽管您不会想把它放在口袋里随身携带。在约一英尺的距离处，其辐射量与我地下室的背景水平相当。伽马射线向各个方向均匀喷射。该圆片的设计还允许正电子从一侧逸出，以防您需要一些。我使用一个短木销来阻挡这些逸出的粒子，并将圆片固定在塑料管内。理论认为，一对纠缠的伽马射线会沿完全相反的方向飞出，所以我通过在样品两侧放置一个盖革计数器来寻找它们。成对的光子应该导致两个盖革计数器同时发出咔哒声。为了计数这些同时命中的次数，我将盖革计数器连接到 Aware 的巧合计数箱（只不过是一个与非门，一个标准的电子元件），使用简单的接口将 c-box 输出插入 iPad 的麦克风插孔，并运行一个名为 Geiger Bot 的应用程序。在 iOS 时代之前，《大众科学》的业余科学家专栏作家肖恩·卡尔森改装了一个计步器来完成大致相同的事情。在寻找纠缠光子之前，我通过测量背景辐射（特别是宇宙射线）来测试盖革计数器和 c-box。当来自深空的能量粒子撞击地球大气层时，它会分裂成一连串的粒子，特别是缪子，这些粒子像雨点般落在地面上。缪子会穿透两个盖革计数器并记录为巧合。您可以判断您检测到的是宇宙射线，而不是其他形式的辐射，因为巧合率取决于盖革计数器的位置。设备上下堆叠在一起，记录垂直向下传播的粒子，Geiger Bot 每分钟计数约 3 次巧合。这个值与这种设置的宇宙射线通量的估计值相符。盖革计数器水平并排排列，对来自高处的缪子变得不敏感，巧合率下降了 100 倍。（如果您是宇宙射线极客，或者只是无聊，您可以在 Cosm 数据记录网站上观看我的读数。如果您将自己的宇宙射线探测器上线，请告诉我。）偶尔，系统也会拾取到虚假的巧合：两个不相关的粒子恰好几乎同时击中两个盖革计数器。对于宇宙射线检测，这不是问题；在没有任何放射性材料的情况下，每个盖革计数器平均每分钟只发出 20 次咔哒声，因此可能要过一天，两个计数器才会偶然同时发出咔哒声。但是，当您使用放射性样品时，这种影响变得显着，因为盖革计数器每分钟发出数百甚至数千次咔哒声。偶然巧合的发生率与 盖革计数器读数的平方成正比，并且在布勒和布拉特的实验中，与真实巧合的发生率相当。不幸的是，这两种速率相似——这意味着对纠缠的任何检测都充其量是边缘性的。但是，当使用盖革计数器时，这种误差来源是不可避免的。更昂贵的探测器具有更锐利的时间分辨率，并拾取更少的偶然重叠。在测试了电子设备后，我准备开始实验了。在下一篇文章中，我将描述我的发现。