自旋交換粒子可能是“量子柴郡貓”

上個世紀量子物理學最令人費解的啟示之一是，粒子的屬性可能在被測量之前都不是真實的。現在，一項思想實驗表明，這個結論可能過於溫順：似乎粒子的屬性——例如它們的自旋——甚至可能不屬於它們。這種可能性類似於說你的個性不屬於你。

該研究聲稱透過所謂的量子柴郡貓實驗的一個版本來證明粒子及其屬性之間這種自相矛盾的脫節。該實驗於 2013 年首次進行，其名稱源於劉易斯·卡羅爾的《愛麗絲夢遊仙境》中消失的貓，並且涉及到將貓（實際上是一個粒子）與其笑容（粒子的某些屬性）表面上分離。

新版本的實驗從兩隻咧嘴笑的柴郡貓開始，到一隻貓的笑容裝飾在另一隻貓的臉上，反之亦然結束。在量子術語中，它展示了兩個粒子如何最終交換它們的屬性或物理特性。

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哈里什-錢德拉研究所 (HRI) 的阿倫·庫馬爾·帕蒂是這項工作的合著者，他說：“尼爾斯·玻爾的觀點是，在您對量子系統進行測量之前，您不能說物理屬性實際存在。這質疑了物理屬性的真實性。我們的思想實驗使這種觀點更進一步。屬性不僅不是真實的，而且它們可能不屬於你。它在更深層次上質疑了現實。”

弱測量與強測量

為了得出他們的結論，帕蒂和他在 HRI 的同事德布馬利亞·達斯求助於一種稱為弱測量的技術。

在標準量子力學中，檢查量子系統（例如粒子或原子）的狀態涉及所謂的強測量，它可以像探測器記錄光子的到達一樣簡單。粒子首先在某種初始狀態下製備，這個過程稱為預選擇。然後，粒子的量子態在外部力的影響下隨時間演化，並且它可以最終處於多種狀態的疊加態。強測量隨機地將疊加“坍縮”為這些可能的許多狀態之一——這是一個不可避免的破壞性過程。例如，如果您要測量光子的位置，強測量會定位光子，但也會破壞疊加。

相比之下，弱測量並不那麼強硬。它們代表了一個可以追溯到 1988 年的想法，即由雅基爾·阿哈羅諾夫、大衛·Z·阿爾伯特和列夫·維德曼（當時都在南卡羅來納大學和特拉維夫大學）提出的理論。三人問道，如果測量裝置與粒子的相互作用非常弱會怎樣？雖然這種測量不會破壞量子態（因此狀態將繼續演化），但它會導致狀態值具有非常大的不確定性。如果您使用大量相同製備或預選的粒子反覆進行測量，那麼您將獲得弱測量值的分佈。

就其本身而言，這種分佈資訊量不大。但是，在該過程中再新增一個階段，事情就會變得非常有趣。在每次弱測量之後，您讓粒子演化，然後對其進行強破壞性測量。對每個相同預選、弱測量的粒子重複此操作。由於疊加的隨機坍縮，每次強測量都會給出不同的值。現在，僅選擇那些最終位置具有特定值的粒子——這樣做稱為後選擇。然後丟棄有關所有未進入此後選擇階段的粒子的資訊。阿哈羅諾夫和他的同事們認為，您現在可以將後選擇粒子子集的弱測量值轉換為“弱值”，該“弱值”告訴您有關粒子屬性的資訊，例如它們在給定方向上的自旋。

這種量子系統方法的一個有趣的成果與時間的本質有關。根據阿哈羅諾夫及其同事開發的數學，弱值受初始預選量子態（過去）和最終後選量子態（未來）的影響。從這種思維方式來看，時間是雙向流動的：未來影響現在。

究竟是誰的屬性？

在 2014 年發表的首次實驗中，維也納科技大學的托比亞斯·登克邁爾、查普曼大學的傑夫·托拉克森及其同事使用弱測量將量子柴郡貓與其笑容分離。

在他們的實驗中，具有特定自旋的預選中子被逐個傳送到分束器中，分束器是一種將粒子束分成兩束的裝置。每個入射中子最終都處於兩種狀態的疊加態：路徑 A 和路徑 B。這兩條路徑在所謂的干涉儀中重新組合，這導致量子態發生干涉。然後，中子朝輸出探測器前進。在干涉儀的一個輸出路徑中，實驗涉及對中子的特定自旋態進行強測量。滿足此標準的中子被認為是後選擇的。實驗人員丟棄了所有其他中子以進行分析。

對於後選擇的粒子，該團隊還進行了兩組弱測量：一組用於粒子的位置，另一組用於粒子的自旋。這些雙重測量表明，粒子正在透過路徑 B，而它們的自旋的弱值只能在路徑 A 中測量。貓已與其笑容分離。

托拉克森在他的 2001 年博士論文中寫到了柴郡貓悖論，他說：“從製備粒子然後進行強測量的舊視角來看，不可能將粒子與其屬性分離。”

現在，帕蒂和達斯將柴郡貓實驗擴充套件到他們的思想實驗，該實驗不僅將粒子與其屬性分離，而且還導致一個粒子獲得先前與另一個粒子相關的屬性，反之亦然。

該思想實驗涉及將兩個干涉儀並排放置，這樣每個粒子首先遇到分束器。透過分束器後，粒子進入兩種狀態的疊加態：左路徑和右路徑。

然後出現了一個轉折：設定的對準方式是，干涉儀 1 的右路徑（通常會與其相應的左路徑重新組合）改為與干涉儀 2 的右路徑重新組合。干涉儀的左路徑也重新組合。當重新組合時，各種量子態相互干涉。然後，來自每個干涉儀的兩個輸出遇到一系列分束器和探測器。這些分束器旨在使具有一種偏振型別的光子朝一個方向前進，其餘的朝另一個方向前進。（偏振描述了光子振動的電場和磁場的方向。）後選擇涉及僅選擇那些導致一組特定的六個探測器同時咔噠作響的光子。所有其他光子都被丟棄。

根據帕蒂和達斯的說法，如果有人要計算後選擇系綜中每對光子的位置和偏振的弱值，那麼弱值將表明光子 1 通過了干涉儀 1 的左臂，而它的偏振將出現在干涉儀 2 的左臂中。類似地，光子 2 將出現在干涉儀 2 的右臂中，而它的偏振將出現在干涉儀 1 的右臂中。至少，這就是研究人員解釋弱值的方式。

對思想實驗的這種解釋表明，在粒子及其屬性解耦，它們的路徑重新組合並最終進行強測量後，光子 1 最終具有光子 2 的偏振，反之亦然。貓和它們的笑容首先被分離，然後貓交換笑容。此外，光子儘管與它們的初始屬性分離，但最終都處於一個巨大的糾纏態——這意味著它們只能用一個單一的全域性量子態來描述。

“這並不讓我感到驚訝，”托拉克森說，他已經習慣了弱測量帶來的看似悖論。“但這是一項非常出色的工作。”

關於細節的爭議

多倫多大學的實驗物理學家艾弗雷姆·斯坦伯格也並不感到驚訝，但原因不同。他指出，粒子之間的相互作用會導致這些粒子糾纏（正如帕蒂和達斯的思想實驗中發生的那樣），而這種糾纏會導致粒子交換屬性。斯坦伯格說，這種交換是所謂的 SWAP 門的基礎，SWAP 門是量子計算中使用的經過充分研究的操作。“如果他們能夠在從未相互作用的情況下交換他們的偏振，那確實會很有趣，”他補充道。

但斯坦伯格對新實驗的設計更加驚訝，甚至感到擔憂。“它依賴於兩個光子穿過一組干涉儀，然後導致六個不同的探測器同時觸發。這當然是不可能的，”他說。“作者似乎在想象一個探測器對光子所在的位置敏感，而另一個探測器（在另一個位置）可以同時測量光子的偏振。從這個意義上說，他們似乎試圖從一開始就‘構建’光子不同屬性的分離，而不是設計一個實驗來揭示它。”

托拉克森也說，只有兩個光子讓六個探測器同時觸發根本是不可能的。但他認為帕蒂和達斯的概念性想法是合理的。“據我所知，在我看來，即使所有六個[探測器]的要求也可以透過正確的光學器件簡化為兩個，並且仍然產生正確的後選擇，”他說。“如果是這樣，他們正在研究的基本交換想法可能是可以挽救的。”

但帕蒂說，他和達斯的實驗應該按設計工作——而且使用現有技術也可以。“探測器咔噠聲是針對兩個光子的各種自由度或屬性的，”他說，因此允許同時進行六次檢測。

還有一個更大的問題是，透過弱測量獲得的弱值是否告訴我們一些關於真實事物的資訊。“總的來說，我認為量子柴郡貓是一個悖論有點言過其實了，”澳大利亞國立大學的理論物理學家邁克爾·霍爾說。“弱值通常不是個體測量的結果。它們只是多次重複測量的平均值。”霍爾認為，這種平均值不能被賦予與個體強測量結果相同的地位。

然而，弱測量已經用於看似不可能的應用。例如，如果一個人選擇粒子的初始狀態和後選擇狀態，使得兩者之間的重疊非常小，那麼由於未被後選擇而必須丟棄的粒子的百分比變得非常大。但是對於剩下的極少數粒子，弱值可能非常有用。羅切斯特大學的約翰·C·豪厄爾和他的同事已經使用這種弱值來測量約 14 飛米的位移，這大約是鈾原子核的大小。

儘管人們對帕蒂和達斯的思想實驗存在擔憂，但關於弱值含義的爭論也是關於描述量子世界的正確理論的爭論，特別是時間的角色。“你需要開始思考未來對現在的相關性。粒子在任何給定時刻的屬性都受到未來的影響，”托拉克森說。“當您將您的思維方式轉移到這一點上時，那麼所有這些事情，例如柴郡貓，就一點也不令人驚訝了。”