眾所周知，量子力學理論揭示了世界運作方式中一種根本的怪異之處。我們日常對現實的感知中最核心的常識概念被證明是違反的：矛盾的替代方案可以共存，例如一個物體同時遵循兩條不同的路徑；物體不會同時具有精確的位置和速度；我們觀察到的物體和事件的屬性可能受到不可磨滅的隨機性的影響，這種隨機性與我們工具或視力的不完善無關。
可靠的世界已經消失，在那個世界中，原子和其他粒子像綠色的現實檯球桌上表現良好的檯球一樣移動。相反，它們（有時）表現得像波一樣，分散在一個區域，並且能夠交叉形成干涉圖案。
然而，所有這些奇怪之處似乎仍然遠離普通生活。當量子效應涉及微小系統時最為明顯，例如原子內部的電子。您可能在抽象意義上知道量子現象是大多數現代技術的基礎，並且各種量子奇特現象可以在實驗室中得到證明，但在家中看到它們的唯一方法是在電視上的科學節目中。對嗎？不盡然。
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我們將向您展示如何設定一個實驗，來說明所謂的量子擦除。這種效應涉及量子力學最奇怪的特徵之一——採取行動來改變我們對過去事件發生的基本解釋的能力。
在我們解釋這句話的含義並概述實驗本身之前，我們確實必須強調一個警告，以符合廣告的真實性。如果您成功進行實驗，您將看到的光模式可以透過將光視為經典波來解釋，而無需涉及量子力學。因此，在這方面，該實驗是一種作弊行為，未能充分證明該效應的量子性質。
然而，構成光波的單個光子確實在進行完整的量子舞蹈，其所有怪異之處都完好無損，儘管您只能透過將光子逐個傳送透過該裝置並檢測它們來真正證明這一點。不幸的是，這樣的程式仍然超出了一般家庭實驗者的能力範圍。儘管如此，透過觀察實驗中的模式並思考它們在單個光子方面的含義，您可以親身一睹奇異的量子世界。
如果您想直接進行家庭實驗，請參閱側邊欄中的詳細說明。以下討論深入探討了量子擦除器的一般科學原理。這種解釋將幫助您瞭解自制擦除器所演示的內容，但您可能希望在瞭解特定型別的擦除器的作用後再回過頭來看它。
量子擦除器擦除了什麼
量子力學的奇怪特徵之一是，事物表現出的行為可能取決於我們試圖瞭解它的內容。因此，電子可以表現得像粒子或像波，這取決於我們對其進行的實驗設定。例如，在某些情況下，如果我們確定電子已遵循的特定軌跡，則會出現類似粒子的行為；如果我們不這樣做，則會發生類似波的行為。
這種二元性的標準演示依賴於所謂的雙縫實驗（您的自制量子擦除器與此實驗類似，因為它涉及兩條路徑，而不是兩條縫）。光源向一個螢幕發射粒子，該螢幕上有兩條狹縫供它們透過。粒子最終到達第二個螢幕，每個粒子都會產生一個點。每個粒子落在哪裡在某種程度上是隨機且不可預測的，但隨著成千上萬的粒子累積，這些點會堆積成一個明確的、可預測的模式。當條件適合粒子表現為波時，結果是干涉圖案——在這種情況下，是一系列模糊的條紋，稱為條紋，其中大多數粒子落在那裡，而很少有粒子擊中它們之間的間隙。
只有當每個粒子都可能穿過兩條狹縫中的任何一條，並且無法確定每個粒子穿過哪條狹縫時，粒子才會產生干涉圖案。這兩條路徑被稱為無法區分，並且每個粒子的行為都好像它實際上穿過了兩條狹縫。根據現代量子力學的理解，當無法區分的替代方案以這種方式組合時，就會發生干涉。
當兩個或多個替代方案共存時，這種情況稱為疊加。埃爾溫·薛定諤在 1935 年提出了他現在臭名昭著的貓的概念，即一隻同時處於活著和死亡狀態的貓，被密封在一個無法觀察到的密封盒子中，從而突出了量子疊加的奇特之處。當發生量子干涉時，實驗中的某些東西就像一種薛定諤的貓。但貓不是同時活著和死去，而是可能走在一棵樹旁，同時從樹的兩側經過。
一旦我們檢視薛定諤貓的盒子內部，它就不再處於疊加狀態：我們總是看到它是活著或死去，而不是兩者兼而有之（儘管量子力學的某些解釋認為我們進入了看到死貓或活貓的疊加狀態）。如果聚光燈照在樹附近，我們會看到量子貓朝一個方向或另一個方向走去。同樣，我們可以新增一個測量工具來觀察每個粒子透過狹縫。人們可以想象在狹縫上照射光線，以便當每個粒子透過時，我們可以看到從粒子經過的位置散射出的閃光。閃光使兩條替代路徑可區分，這破壞了疊加，並且粒子到達最終螢幕時不會形成條紋圖案，而是形成一個沒有特徵的斑點。已經進行了類似於這種情況的實驗，並且正如量子力學所預測的那樣，沒有形成干涉圖案。
我們實際上不需要“看”。我們不必檢測閃光並確定每個粒子走了哪條路。資訊存在於閃光中並且可能以這種方式被觀察到就足夠了。
現在我們終於要講到量子擦除器了。擦除器可以擦除指示每個粒子所遵循路徑的資訊，從而恢復替代方案的無法區分性並恢復干涉。
擦除器如何做到這一點？想象一下，從每個粒子散射出來的“閃光”是一個單光子。為了讓光子揭示粒子的“哪條路徑？”資訊，必須有可能（即使只是原則上）分辨出光子來自哪條狹縫。這意味著我們必須能夠足夠準確地測量每個光子散射的位置，以區分狹縫。然而，海森堡不確定性原理告訴我們，如果我們改為非常精確地測量每個光子的動量，那麼光子的位置就會變得不太明確。因此，如果我們讓光子透過一個鏡頭，使它們的動量資訊可用，那麼關於它們位置的資訊就會被擦除。當這種情況發生時，粒子可以遵循的兩條路徑再次變得無法區分，並且干涉得以恢復。
我們遺漏了一個最後的棘手細節，但我們稍後會回到這一點。首先，停下來更多地思考一下我們剛剛描述的擦除過程中發生的事情，因為這就是怪異之處所在。當我們檢測到其中一個光子散射的位置時，我們瞭解到其對應的粒子穿過了哪條狹縫，這意味著粒子確實穿過了一條狹縫或另一條狹縫，而不是兩條狹縫都穿過。然而，如果我們改為檢測光子的動量，我們就無法知道粒子穿過了哪條狹縫。更重要的是，當我們進行多次動量測量並看到干涉圖案時，我們推斷在這些情況下，粒子穿過了兩條狹縫（否則干涉是不可能的）。
換句話說，對於問題“粒子是穿過一條狹縫還是兩條狹縫？”的回答取決於我們對與其對應的光子所做的事情，而這發生在粒子通過後很久。這幾乎就像我們對光子的行為影響了過去事件中發生的事情。我們可以找出粒子穿過了哪條狹縫，或者我們可以使用量子擦除器從宇宙中刪除該資訊。
最奇怪的是，我們可以在粒子透過狹縫後決定進行哪種測量——我們可以安裝用於兩種替代測量的裝置，並在每個光子到達之前撥動開關。物理學家將這種變體稱為延遲選擇實驗，這是德克薩斯大學奧斯汀分校的約翰·A·惠勒在 1978 年提出的一個想法，它擴充套件了尼爾斯·玻爾和阿爾伯特·愛因斯坦在 1935 年關於量子力學和現實本質的爭論中使用的一個場景。
此時，一些特別聰明的讀者會擔心一個似乎破壞了我們剛才描述的基本問題：為什麼我們不能延遲選擇我們的光子測量，直到我們看到粒子是否形成干涉圖案？事實上，我們可以安排這樣做，方法是讓最終螢幕離狹縫不太遠，而光子探測器離得更遠。那麼，如果我們看到粒子形成條紋，然後選擇進行光子位置測量，而這應該會阻止條紋形成，會發生什麼？難道我們不應該期望已經記錄的干涉圖案消失嗎？類似的推理表明，我們可以使用延遲選擇效應來瞬時傳輸訊息到任意距離（從而繞過光速）。
我們之前遺漏的棘手細節是拯救局面的關鍵：為了在應用量子擦除器後看到粒子的干涉，我們首先必須將它們分成兩組並分別觀察這兩組。一組將顯示原始的條紋圖案；另一組將顯示該圖案的反轉圖案，粒子落在最初的暗帶上，並避開最初明亮條紋的位置。兩組組合在一起填補了所有間隙，從而隱藏了干涉。
之所以避免了悖論，是因為我們需要來自光子測量的資料才能知道每個粒子屬於哪個組。因此，我們必須在進行光子測量之後才能觀察到條紋，因為只有那時我們才知道如何將粒子分成組。在家庭實驗中，分組粒子的過程是自動為您完成的，因為一組粒子會被偏振濾光片阻擋，因此您可以用自己的眼睛看到透過該組粒子的干涉圖案。在最後一步中，您可以在彼此相鄰的位置看到兩組粒子的干涉圖案。
從實際的角度來看，無法以超過光速的速度傳送訊息並製造悖論可能令人失望，但物理學家和邏輯學家認為這是一個非常好的特性。