量子力學(xué)里，量子擦除實(shí)驗(yàn)(quantum eraser experiment)是一種干涉儀實(shí)驗(yàn)，它可以用來(lái)演示量子糾纏、量子互補(bǔ)等等基本理論。本條目所論述的量子擦除實(shí)驗(yàn)使用雙縫干涉儀來(lái)制成干涉圖樣，這實(shí)驗(yàn)有三個(gè)步驟:
在干涉儀實(shí)驗(yàn)里，干涉圖樣的可視性與路徑信息是兩個(gè)互補(bǔ)變量，根據(jù)互補(bǔ)原理，假若越能分辨路徑信息，則干涉圖樣可視性越低，假若干涉圖樣可視性越高，則越無(wú)法分辨路徑信息。這好似無(wú)法同時(shí)看到硬幣的兩面。
1982年，物理學(xué)者馬蘭·史庫(kù)理(Marlan Scully)與凱·德魯(Kai Drühl)最先提出量子擦除實(shí)驗(yàn)的點(diǎn)子，他們表明，假設(shè)測(cè)得粒子的路徑信息，則觀察不到干涉圖樣，不管是否攪擾到粒子，但是，假設(shè)能夠用某種方法擦除路徑信息，則干涉圖樣又可被觀察到。1991年，史庫(kù)理、柏投·恩格勒(Berthold Englert)與賀柏·沃爾特(Herbert Walther)給出實(shí)現(xiàn)這實(shí)驗(yàn)的方法。后來(lái)，物理學(xué)者又設(shè)計(jì)出很多種不同的量子擦除實(shí)驗(yàn)。
量子擦除技術(shù)可以用來(lái)提升顯微鏡的分辨率。
本條目所論述的雙縫量子擦除實(shí)驗(yàn)是楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)的一種變版。假設(shè)在楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)里，觀測(cè)光子到底穿過(guò)的是哪條狹縫，則光子會(huì)因此無(wú)法與自己相互干涉。假設(shè)整個(gè)光束的每一個(gè)光子都像這樣被觀測(cè)所通過(guò)的狹縫，則先前在探測(cè)屏顯示出的楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)干涉圖案會(huì)被消毀。這意味著路徑信息與干涉圖樣可視性是彼此互補(bǔ)的變量。原先，物理學(xué)者認(rèn)為，根據(jù)海森堡不確定性原理，在搜集路徑信息時(shí)，不可避免地?cái)嚁_了光子的運(yùn)動(dòng)，連帶使得干涉圖樣也被洗掉了。后來(lái)，物理學(xué)者又證實(shí)，光子與探測(cè)路徑儀器(標(biāo)記器)之間的量子糾纏也會(huì)造成干涉圖樣被洗掉，完全不需引用海森堡不確定性原理的機(jī)制。這實(shí)驗(yàn)結(jié)果引出一個(gè)特別深?yuàn)W的問(wèn)題:互補(bǔ)原理是否比不確定性原理更為基礎(chǔ)?
在本條目所描述的量子擦除實(shí)驗(yàn)里，搜集路徑徑信息并沒(méi)有不可逆反地?cái)嚁_光子，只是按照光子通過(guò)的狹縫將光子貼上標(biāo)簽，稍后，又將這標(biāo)簽擦除。貼上標(biāo)簽的光子不能夠與貼上不同標(biāo)簽的自己相互干涉，因?yàn)檫@兩種標(biāo)簽相互正交，后果是干涉圖樣被洗掉。然而貼上標(biāo)簽的光子，若標(biāo)簽又被擦除，則光子又可以與自己相互干涉，后果是楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)的特征干涉圖樣會(huì)被再度顯示出來(lái)。
本實(shí)驗(yàn)的裝置在空間方面可以分為兩個(gè)區(qū)域。應(yīng)用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換技術(shù)制成一對(duì)糾纏光子對(duì)，其兩個(gè)光子會(huì)分別移動(dòng)于這兩個(gè)區(qū)域，彼此不會(huì)遭遇到對(duì)方?，F(xiàn)在，假若移動(dòng)于其中任意一個(gè)區(qū)域的光子被攪擾，則由于量子糾纏，移動(dòng)于另外一個(gè)區(qū)域的光子會(huì)被影響，盡管兩個(gè)區(qū)域可能在空間上相隔很遙遠(yuǎn)。這是一種涉及到超距作用的現(xiàn)象。在第二區(qū)域的探測(cè)屏所顯示的干涉圖樣可以被消毀或恢復(fù)，完全不需改變?cè)诘诙^(qū)域的實(shí)驗(yàn)設(shè)施，只需要操控在第一區(qū)域移動(dòng)的糾纏光子;此外關(guān)于第二區(qū)域的雙狹縫，或其他介于發(fā)射晶體與探測(cè)屏間的實(shí)驗(yàn)儀器，在光子通過(guò)這雙狹縫或?qū)嶒?yàn)儀器之前或之后，都可以進(jìn)行操控。更具體地說(shuō)，在這實(shí)驗(yàn)的第二區(qū)域里，假設(shè)雙狹縫前面被裝置了標(biāo)記儀器，因此干涉現(xiàn)象被消毀(因?yàn)槊鞔_的路徑信息存在)，現(xiàn)在，在第一區(qū)域進(jìn)行量子擦除動(dòng)作，這動(dòng)作的完成可以有效地擦除路徑信息，從而重新展現(xiàn)干涉圖樣，完全不需改變第二個(gè)區(qū)域的實(shí)驗(yàn)設(shè)施?？偨Y(jié):在第一區(qū)域發(fā)生的量子擦除事件，能夠超距地重新展現(xiàn)第二區(qū)域的干涉圖樣。
延遲選擇量子擦除實(shí)驗(yàn)(delayed choice quantum eraser experiment)是本條目所描述實(shí)驗(yàn)的延伸版。它所使用的設(shè)備更為復(fù)雜與精致，能夠演示出更多量子力學(xué)的奧秘。在這實(shí)驗(yàn)里，在第一區(qū)域測(cè)量或擦除路徑信息的動(dòng)作可以被延遲至在第二區(qū)域光子抵達(dá)探測(cè)屏之后。本條目所描述實(shí)驗(yàn)沒(méi)有這種功能，只能選擇探測(cè)器測(cè)量的先后次序。盡管如此，仍舊是很有意思的實(shí)驗(yàn)。直覺(jué)而言，光子的路徑信息先被測(cè)得，因此干涉圖樣被消毀，然后又將路徑信息擦除，這動(dòng)作是否能夠重新展現(xiàn)干涉圖樣?為了給出正確答案，這實(shí)驗(yàn)必須更仔細(xì)地分析論述，而整個(gè)實(shí)驗(yàn)展示出的物理現(xiàn)象，符合量子力學(xué)的預(yù)測(cè)。
實(shí)驗(yàn)分三個(gè)階段。
第一階段，使用非線性BBO晶體產(chǎn)生糾纏光子對(duì)。自光子對(duì)產(chǎn)生起，它們就具有不同偏振態(tài)，沿不同方向傳播。沿下路徑傳播的光子會(huì)遇到雙縫，使用靈敏的探測(cè)器可以掃出這些光子的干涉圖樣。
第二階段，在下路徑上插入四分之一波片。這樣任何通過(guò)縫A的光子將會(huì)被改變?yōu)轫槙r(shí)針或逆時(shí)針的圓偏振，任何通過(guò)縫B的光子的則具有相反方向的圓偏振。當(dāng)探測(cè)設(shè)備在先前的移動(dòng)范圍內(nèi)重新掃過(guò)，可以發(fā)現(xiàn)探測(cè)結(jié)果不再相同 - 干涉條紋消失 - 即，任何標(biāo)記了光子路徑的行為都會(huì)破壞干涉條紋。
第三階段，下路徑不作變動(dòng)，將一個(gè)起偏器插入到上路徑，使得任何通過(guò)下路徑的糾纏光子對(duì)的偏振方向也受到影響。因?yàn)樯下窂降墓庾拥钠穹较虬l(fā)生變化，下路徑光子的偏振狀態(tài)也會(huì)改變。通過(guò)對(duì)上路徑上起偏器選擇合適的偏振角，令下路徑上剛好有一半的光子具有相同的偏振方向。一旦它們有相同的偏振態(tài)，它們可以再次彼此干涉，或者從另一個(gè)角度來(lái)看，已經(jīng)沒(méi)有標(biāo)記指明哪個(gè)通過(guò)縫A，哪個(gè)通過(guò)縫B。
聯(lián)系客服
