上期的啟科Q課堂，
給大家介紹了超越生死的“薛定諤的貓”，
其實(shí)在量子世界里，還有一只神秘喵——
它的名字叫做量子柴郡貓。
看過(guò)《愛(ài)麗絲夢(mèng)游仙境》的都知道，里面有一只會(huì)咧嘴笑的柴郡貓，它的身體憑空消失后，笑容還掛在半空中。很多人認(rèn)為柴郡貓只存在于童話故事中，其實(shí)在量子世界里，“柴郡貓”是真實(shí)存在的。
在宏觀的經(jīng)典世界中，物體的物理屬性比如質(zhì)量、體積等，與物體本身不可分離，但在微觀的量子世界里則有所不同，如果把笑容認(rèn)為是柴郡貓的一個(gè)屬性，那么只留下笑容而身體消失，意味著柴郡貓的位置與它的屬性分離，而物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)這種位置與屬性分離的柴郡貓還真的存在。
貓——實(shí)際上是一個(gè)粒子
微笑——粒子的某些屬性
2013年有理論研究認(rèn)為，微觀粒子的物理屬性(如電子的電荷和自旋、光子的偏振等)可以和其本體分離，這種現(xiàn)象被沃爾夫獎(jiǎng)獲得者亞基爾·阿哈羅諾夫(Yakir Aharonov)等人稱之為“量子柴郡貓”(quantum Cheshire cat)。在2014年時(shí)，物理學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)微觀粒子的一些物理屬性可以從它自身中剝離出來(lái)。實(shí)驗(yàn)中，物理學(xué)家在某一點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了光子的存在，卻在另一點(diǎn)檢測(cè)到了該光子的偏振。
整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)干涉儀構(gòu)成，其中光子在經(jīng)過(guò)分束鏡后，可以選擇上下兩個(gè)路徑?！拔覀兛梢酝ㄟ^(guò)對(duì)光子實(shí)施兩組所謂的弱測(cè)量來(lái)揭示光子本體和其屬性的分離，其中一組用于測(cè)量光子本體所處的位置，另一組則用于測(cè)量其自旋狀態(tài)，也就是柴郡貓的笑臉的位置，測(cè)量結(jié)果則由弱值描述?！?/div>
貓的本體和它的笑臉?lè)蛛x
亞基爾·阿哈羅諾夫等人發(fā)現(xiàn)，通過(guò)精巧設(shè)置合適的前后選擇態(tài)，就可以將柴郡貓（光子）與其笑臉（光子的自旋（偏振））分離。具體來(lái)說(shuō)，在干涉儀的上路徑中，對(duì)路徑及條件自旋觀測(cè)量實(shí)施的弱測(cè)量給出相應(yīng)的弱值分別為0和1，也就是說(shuō)，有一個(gè)沒(méi)有貓的笑臉出現(xiàn)在該路徑中。相應(yīng)的，在下路徑中實(shí)施的弱測(cè)量得到的弱值分別為1和0，也就是說(shuō)，下路徑中出現(xiàn)了一只沒(méi)有笑臉的貓。簡(jiǎn)而言之，在干涉儀中“量子柴郡貓”和它的笑臉被分開(kāi)了。
當(dāng)你還迷惑于貓與笑臉?lè)蛛x的時(shí)候，我國(guó)科學(xué)家在去年首次利用雙光子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了兩只“量子柴郡貓”交換笑臉。他們使用對(duì)系統(tǒng)施加微擾的新方法，解決了多體量子系統(tǒng)弱值提取的難題，并制備出雙光子超糾纏態(tài)，獲得光子的路徑和偏振觀測(cè)量的弱值。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到兩光子都處于偏振屬性和光子本體分離的狀態(tài)，并各自得到了另一光子的偏振，實(shí)現(xiàn)了兩只“量子柴郡貓”的無(wú)接觸笑臉互換。
關(guān)于弱測(cè)量
弱測(cè)量的概念最早由Aharonov, Albert和 Vaidman在1988年提出，他們指出在有先后選擇的情況下測(cè)量結(jié)果可以被明顯地放大。弱測(cè)量名字的來(lái)源于這個(gè)理論中所考慮的測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量?jī)x器之間的耦合強(qiáng)度比較弱。
量子弱測(cè)量過(guò)程可以分為三個(gè)步驟：前選擇，進(jìn)行系統(tǒng)初始態(tài)制備；弱耦合，引入探針和系統(tǒng)的弱相互作用；后選擇，進(jìn)行末態(tài)的選擇。通過(guò)弱測(cè)量可以得到系統(tǒng)物理量的弱值，被廣泛應(yīng)用于超靈敏的物體偏轉(zhuǎn)、時(shí)間延遲、溫度變化、速度測(cè)量、非線性效應(yīng)等微小物理量的測(cè)量。
量子世界神秘莫測(cè)，除了薛定諤的貓和量子柴郡貓，可能后來(lái)還會(huì)有更多的喵加入，讓我們一起走進(jìn)量子世界，一起喵喵喵喵喵。
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