科技行者
在過去一個(gè)世紀(jì)當(dāng)中，量子物理學(xué)領(lǐng)域最令人費(fèi)解的現(xiàn)象之一，就是粒子性質(zhì)在接受測量之前可能處于非真實(shí)狀態(tài)。最近的一項(xiàng)最新思想實(shí)驗(yàn)表明，這一結(jié)論可能還不夠到位：粒子的屬性——例如其自旋狀態(tài)——甚至可能根本就不屬于粒子本身。換言之，這就像是認(rèn)定我們的性格并不屬于自己。
這項(xiàng)最新研究宣稱，通過所謂“量子柴郡貓”的最新實(shí)驗(yàn)版本，可以證明粒子與其屬性之間存在著相互沖突的脫節(jié)情況。此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)最初于2013年進(jìn)行，而名稱中的“柴郡貓”則來自Lewis Carroll的不朽名著《愛麗絲夢游仙境》中的知名角色。有趣的是，該書中的柴郡貓本身(相當(dāng)于實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)粒子)與其微笑(對應(yīng)粒子的某些屬性)也確實(shí)彼此脫離。
實(shí)驗(yàn)的最新版本以兩只笑嘻嘻的柴郡貓開始，其中一只貓停止微笑后，另一只才開始微笑;反之亦然。在量子術(shù)語當(dāng)中，這代表著兩個(gè)粒子一直在不斷交換二者的屬性，或者說物理特性。
作為此項(xiàng)研究的共同作者，印度Harish-Chandra研究所(簡稱HRI)的Arun Kumar Pati指出，“Miels Bohr的觀點(diǎn)在于，在對量子系統(tǒng)進(jìn)行測量之前，我們無法斷言其物理屬性確實(shí)存在，這相當(dāng)于質(zhì)疑了物理屬性的客觀地位。我們的思想實(shí)驗(yàn)則讓這一觀點(diǎn)更進(jìn)了一步。這些屬性不僅不真實(shí)，而且就連歸屬性也存疑。其在更深層次上對現(xiàn)實(shí)提出了質(zhì)疑?！?/span>
弱與強(qiáng)的對抗
為了得出結(jié)論，Pati和他HRI的同事Debmalya Das采用了一種被稱為弱測量的技術(shù)。
在標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)當(dāng)中，檢查粒子或原子等量子系統(tǒng)的狀態(tài)時(shí)往往涉及所謂強(qiáng)測量方法，其基本原理非常簡單，類似于在光子到達(dá)檢測器時(shí)進(jìn)行記錄。研究人員首先會在一定的初始狀態(tài)下制備粒子，這一過程被稱為預(yù)選。接下來，在外力的作用下，這些粒子的量子態(tài)會隨著時(shí)間的推移而發(fā)生改變，并最終形成多種形態(tài)的疊加。強(qiáng)測量結(jié)果會隨機(jī)將這些疊加狀態(tài)“折疊”成數(shù)種可能的狀態(tài)之一——這一過程將不可避免地帶來破壞性影響。舉例來說，如果您正在對光子的位置進(jìn)行測量，那么強(qiáng)測量雖然能夠?qū)崿F(xiàn)光子定位，但也會破壞這種疊加態(tài)。
在另一方面，弱測量則要溫和得多。其背后的基本思路可以追溯至1988年，這個(gè)理念最初是由Yakir Aharonov、David Z. Albert以及Lev Vaidman所設(shè)計(jì)，當(dāng)時(shí)三位分別就讀于南卡羅來納大學(xué)與特拉維夫大學(xué)。三人提出設(shè)想，如果測量裝置與粒子之間的相互作用非常微弱，結(jié)果又會如何?雖然這樣的測量方式不會破壞量子態(tài)(因此狀態(tài)會繼續(xù)演變)，但卻會帶來具有極大不確定性的狀態(tài)值。因此，如果我們反復(fù)進(jìn)行測量，且作為測量對象的粒子集合擁有相同的準(zhǔn)備或者預(yù)選前提，那么最終應(yīng)該能夠得到弱測量值的分布情況。
就其本身而言，這種分布并不包含信息量。但只要為這個(gè)過程添加一個(gè)額外的階段，情況就會變得非常有趣。在每一次弱測量之后，研究人員們嘗試讓粒子演進(jìn)，而后再對其執(zhí)行破壞性強(qiáng)測量。在此之后，對每個(gè)經(jīng)過預(yù)選的弱測量粒子重復(fù)同樣的強(qiáng)測量操作。由于疊加態(tài)會隨機(jī)崩潰，因此每次強(qiáng)測量都會得出不同的值?，F(xiàn)在，只選擇那些最終位置符合特定值的粒子——研究人員們將其稱為后選擇(postselection)。在此之后，丟棄所有最終位置不符合特定值的粒子。Aharonov及其同事表示，現(xiàn)在他們就可以將這些經(jīng)過后選擇的粒子集中起來，把其弱測量值整合為一項(xiàng)“弱值”，從而展示關(guān)于粒子屬性的某些信息——例如其是否在特定方向上保持著自旋。
這種量子系統(tǒng)測量方法的一大有趣之處，在于其與時(shí)間的本質(zhì)有關(guān)。根據(jù)Aharonov及其同事開發(fā)的數(shù)學(xué)方法得出，弱值受初始預(yù)選量子態(tài)(過去)與最終后選擇量子態(tài)(未來)的影響。通過這種思維方式，我們可以理解成時(shí)間實(shí)際上是雙向流動的，即未來會影響到現(xiàn)在。
屬性到底歸誰所有?
在2013年進(jìn)行并于2014年發(fā)布結(jié)果的首次實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，維也納技術(shù)大學(xué)的Tobias Denkmayr、查普曼大學(xué)的Jeff Tollaksen及其同事利用弱測量成功將“量子柴郡貓”的本體與微笑分離開來。
在他們的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，研究人員將具有特定自轉(zhuǎn)方向的預(yù)選中子一個(gè)接一個(gè)送入分束器——分束器是一種負(fù)責(zé)將粒子束分為兩股的裝置。每個(gè)進(jìn)入的中子最終都將處于兩種狀態(tài)的疊加態(tài)：取路徑A以及取路徑B。這兩條路徑在所謂的干涉儀當(dāng)中重新組合，從而實(shí)現(xiàn)量子態(tài)干擾。接下來，將中子朝向輸出至探測器。在干涉儀的一條輸出路徑中，該實(shí)驗(yàn)會對中子的特定自旋狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)測量。滿足這一條件的中子被認(rèn)定為具有后選擇效應(yīng)，不滿足的中子都被實(shí)驗(yàn)者們放棄。
對于這些具有后選擇效應(yīng)的粒子，該團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了兩組弱測量：一組用于測量粒子的位置，另一組用于測量自旋狀態(tài)。這些雙重測量表明粒子會通過路徑B，但其自旋狀態(tài)的弱值則只能在路徑A中測出。如此一來，柴郡貓的本體就與微笑成功分離開來。
“創(chuàng)造一只量子柴郡貓”
得名于Lewis Carroll的名作《愛麗絲夢游仙境》，這一量子柴郡貓實(shí)驗(yàn)旨在將一只“貓”(一個(gè)粒子)與其“微笑”(該粒子的某種屬性)分離開來。在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)(最初于2013年進(jìn)行，具體流程簡化為下圖形式)當(dāng)中，研究人員將具有特定自旋方向(粉色微笑)的多個(gè)粒子(一只黑貓)發(fā)射通過一套光學(xué)系統(tǒng)，其中包含干涉儀、分束器、鏡面與探測器。在粒子經(jīng)過系統(tǒng)時(shí)并保持不確定性狀態(tài)時(shí)，其會經(jīng)歷一系列在順序上經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的強(qiáng)與弱測量。各粒子會通過兩條路徑其中之一，但其自旋狀態(tài)卻只會在另一路徑中被觀察到。換言之，“貓”與其“微笑”被彼此分離開來。
▲圖片來源：Melissa Thomas Baum, Buckyball Design;資料來源：《在物質(zhì)波干涉儀實(shí)驗(yàn)中觀察量子柴郡貓》，作者：Tobias Denkmayr等，《自然通訊》，Vol 5，No. 4492;2014年7月29日。
Tollaksen表示，“從準(zhǔn)備粒子而后進(jìn)行強(qiáng)測量的傳統(tǒng)觀點(diǎn)來看，我們不可能將粒子與其屬性分離開來?！彼?001年的博士論文當(dāng)中就以柴郡貓悖論為題。
現(xiàn)在，Pati與Das已經(jīng)將柴郡貓實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展到他們的思想實(shí)驗(yàn)當(dāng)中。這一實(shí)驗(yàn)不僅能夠?qū)⒘Ｗ优c其屬性分離，而且能夠讓一個(gè)粒子具有先前與另一粒子相關(guān)聯(lián)的屬性，反之亦然。
這一思想實(shí)驗(yàn)要求并排放置兩個(gè)干涉儀，使得每個(gè)粒子首先遇到分束器。在經(jīng)過分束器之后，粒子將進(jìn)入兩種狀態(tài)的疊加態(tài)：取左路徑與取右路徑。
接下來是扭曲：由于以對齊方式設(shè)置，因此干涉儀1的右路徑(通常與相對應(yīng)的左路徑重新組合)會相反與干涉儀2的右路徑重新組合。此外，兩個(gè)干涉儀的左路徑也將重新組合。在重新組合時(shí)，各種量子態(tài)將彼此干擾。接下來，來自每個(gè)干涉儀的兩個(gè)輸出結(jié)果將經(jīng)過一系列分束器與探測器。這些分束器也經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，其中一種會以一種極化方式行進(jìn)，而另一種則以另一種極化方式行進(jìn)。(極化用于描述光子振動電場與磁場方向。)后選擇效應(yīng)只選擇那些同時(shí)擊中六個(gè)探測器組的特定光子。所有其它光子都將被丟棄。
根據(jù)Pati與Das的說明，如果要計(jì)算后選擇集合當(dāng)中每對光子的位置與極化的弱值，那么該弱值將表明光子1穿過干涉儀1的左路徑，其極化現(xiàn)象則會出現(xiàn)在干涉儀2的左路徑中。同樣的，光子2將出現(xiàn)在干涉儀2的右路徑中，其極化現(xiàn)象也同樣出現(xiàn)在干涉1的右路徑中。通過這種方式，研究人員希望解釋測量得出的弱值的意義。
“兩只量子貓交換微笑”
最新設(shè)計(jì)的這一量子柴郡貓實(shí)驗(yàn)不僅要將粒子本體與其屬性分離開來，同時(shí)還要在不同粒子之間實(shí)現(xiàn)屬性交換。換言之，新的實(shí)驗(yàn)版本會在執(zhí)行多輪強(qiáng)與弱測量之前對兩個(gè)干涉儀的輸出結(jié)果進(jìn)行混合，這意味著兩個(gè)光子(白貓與黑貓)將與其極化現(xiàn)象(藍(lán)色與粉色微笑)解耦。下圖所示展示了兩個(gè)光子的各自路徑，及其在通過光子系統(tǒng)時(shí)接受弱測量所得出的結(jié)果。根據(jù)研究人員所言，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果必然是極化狀態(tài)彼此交換，且在兩個(gè)在空間上彼此獨(dú)立的光子之間構(gòu)成單一糾纏態(tài)。
▲圖片來源：Melissa Thomas Baum、Buckyball Design;資料來源：《兩只量子柴郡貓會交換微笑嗎?》，作者：Debmalya Das等人，arXiv:10904.07707;2019年4月14日。
對思想實(shí)驗(yàn)的這一解釋表明，在對粒子本體及其屬性進(jìn)行解耦，對其路徑重新組合并進(jìn)行強(qiáng)測量之后，光子1最終得到了光子2的極化現(xiàn)象，反之亦然。貓和它們的微笑首先分離，而后兩只貓互相交換了微笑。此外，盡管光子與其初始屬性分離開來，但仍然會以統(tǒng)一的糾纏態(tài)作為結(jié)束——這意味著這些光子只能通過單一全局量子態(tài)進(jìn)行描述。
對于已經(jīng)習(xí)慣了弱測量所帶來的種種悖論的Tollaksen來說，“這樣的結(jié)果并不讓我意外”，但“這仍是一項(xiàng)非常出色的工作?！?/span>
細(xì)節(jié)上的分歧
多倫多大學(xué)的實(shí)驗(yàn)主義學(xué)者Aephraim Stenberg對此同樣沒有感到意外，但具體原因卻有所不同。他指出，粒子之間的相互作用會導(dǎo)致這些粒子發(fā)生糾纏(正如Pati與Das的思想實(shí)驗(yàn)中所發(fā)生的現(xiàn)象)，這種糾纏將使得不同粒子之間交換屬性。Steinberg表示，這種交換正是所謂SWAP門的基礎(chǔ)所在——這是一種已經(jīng)經(jīng)過充分研究，并可用于實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的操作。他補(bǔ)充稱，“如果他們能夠在不需要交互的情況下實(shí)現(xiàn)極化現(xiàn)象交換，那倒確實(shí)是非常有趣。”
但真正讓Steinberg感到意外甚至是擔(dān)憂的，在于此次新實(shí)驗(yàn)的具體設(shè)計(jì)。他指出，“這次實(shí)驗(yàn)讓兩個(gè)光子穿過一組干涉儀，進(jìn)而使得六個(gè)不同的探測器得以同時(shí)被激活。這當(dāng)然是不可能的。作者似乎是設(shè)想到其中一個(gè)探測器能夠感應(yīng)到光子的位置，而另一個(gè)處于不同位置的探測器則可以同時(shí)測量光子的極化。從這個(gè)意義上說，他們似乎從起步開始就試圖「默認(rèn)」光子不同屬性的分離，而非設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來證明這一點(diǎn)?！?/span>
Tollaksen同時(shí)表示，在只發(fā)射兩個(gè)光子的情況下不可能同時(shí)激活六個(gè)探測器。但他認(rèn)為Pati與Das的思路確有合理之處。他解釋稱，“據(jù)我所知，或者說在我看來，即使是所有六個(gè)探測器都被激活，通過這一光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行反推后也能夠得出正確的兩個(gè)光子這一實(shí)驗(yàn)條件，且后選擇效應(yīng)同樣正確無誤。如果是這樣的話，那么之前提到的「默認(rèn)」交換問題好像也不是非常嚴(yán)重?！?/span>
不過Pati表示，他和Das的實(shí)驗(yàn)應(yīng)該會帶來與預(yù)期完全相符的運(yùn)行結(jié)果——同時(shí)不違背現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)。他指出，“探測器之所以被激活，是因?yàn)槠浞謩e接收到了不同的自由度，或者說兩個(gè)光子的不同屬性?！币舱?yàn)槿绱?，六個(gè)探測器才會被同時(shí)激活。
還有另一個(gè)更大的問題，即由弱測量所獲得的弱值為我們帶來的“真相”。澳大利亞國立大學(xué)理論家Michael Hall表示，“總的來說，我認(rèn)為量子柴郡貓?jiān)诤艽蟪潭热允莻€(gè)「悖論」。弱值并不是個(gè)別測量的一般性結(jié)果，而只是多次重復(fù)測量所得出的平均值?！盚all認(rèn)為這樣的平均值并不能保證與單一強(qiáng)測量的結(jié)果相一致。
然而，弱測量已經(jīng)被用于某些看似不可能的場景。舉例來說，如果我們選擇的粒子在初始狀態(tài)與后選擇態(tài)之間只存在極小的重疊，那么未被選中而必須被丟棄的粒子將占據(jù)極高的百分比。但對于剩下的極少數(shù)粒子，其弱值則可能非常有用。羅切斯特大學(xué)的John C. Howell和他的同事已經(jīng)利用這些弱值測量了大約14個(gè)飛秒內(nèi)的粒子位移——其尺寸大體相當(dāng)于鈾原子核。
除了對于Pati與Das的思想實(shí)驗(yàn)表示懷疑之外，人們也提出了關(guān)于弱值能否正確描述量子世界理論的爭議，特別是時(shí)間在其中的作用。Tollaksen總結(jié)稱，“我們需要開始考慮未來與現(xiàn)在的相關(guān)性。對于任何特定時(shí)刻，粒子的屬性都會受到未來的影響。只要能夠轉(zhuǎn)變并接受這樣的思維，所有這一切，包括柴郡貓現(xiàn)象，都不會令人驚訝?！?/span>
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