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新型双缝实验:科学家终于可以观察到量子叠加状态的秘密!

在量子叠加状态中到底发生了什么?这个问题是量子力学的核心问题,但一直以来都没有人知道答案。所谓的叠加状态,就是粒子似乎同时处于两个或两个以上的位置或状态的特殊情况,现在,一组来自以色列和日本的研究人员在一篇新论文中提出了一项实验,该实验最终可以让我们对这一令人困惑的现象的本质有一些确切的了解。

研究人员称,他们的实验可以在几个月内完成,科学家们可以通过这个实验来观察物体(在这个实验中这个物体是光的粒子,则所谓的光子)在叠加状态时所处的实际位置。研究人员预测,这个问题的答案将比“同时出现在两个地方”更奇怪、更令人震惊。

叠加状态的经典例子是将光子发射到屏障中的两个平行缝。量子力学的一个基本方面是微小的粒子可以像波一样运动,所以那些穿过一个狭缝的粒子会“干涉”穿过另一个狭缝的粒子,它们起伏的波纹要么相互增强,要么相互抵消,在探测器屏幕上形成一个非常有特色的图案但奇怪的是,即使一次只发射一个粒子,这种干涉也会发生。粒子似乎以某种方式同时穿过了两条缝,自身干涉了自身。这就是一个叠加状态。更奇怪的是:如果要测量这样一个粒子穿过了哪条狭缝的话,测量结果总是表明它只穿过了一条狭缝而已,随后波状干涉(如果你愿意的话可以称它为“量子”)也就消失了。测量的行为似乎会“坍缩”叠加状态。以色列高级研究所的物理学家Avshalom Elitzur说:“我们知道叠加状态中有一些可疑的事情正在发生,但你就是不能测量到它,这就是量子力学如此可恶的原因。”

几十年来,研究人员在这种表面上的僵局中停滞不前。如果不仔细观察,他们就无法确切地说出来叠加状态是什么;但如果他们试图观察它,它就会消失。Elitzur的前导师,现任职于Chapman大学的以色列物理学家Yakir Aharonov和他的合作者提出了一种可能的解决方案,他们提出了一种方法,可以在测量量子粒子之前推断出一些东西。Aharonov的方法被称为量子力学的双态向量形式体系(Two-State-Vector Formalism,TSVF),并且假定量子事件在某种意义上是由过去以及将来的量子状态决定的,也就是说,TSVF假设量子力学作用在时间上是前后相同的,从这个角度来看,各种原因似乎可以在它们产生影响之后,在时间上反向传播。

但人们不必从字面上理解这个奇怪的概念。相反,在TSVF中,人们可以通过选择结果来获得量子系统中发生的事情的回顾性知识:研究人员选择一个特定的位置来寻找粒子,而不是简单地测量一个粒子最后的位置在哪里。这就是所谓的“后选择”,它提供的信息比任何无条件的观察结果都要多。这是因为粒子在任何时刻的状态都要根据它的整个历史来进行回顾性评估,直到并包括测量为止。但奇怪之处在于,研究人员似乎只是选择寻找一个特定的结果,然后就导致了这个结果的发生,这有点像得出这样的结论:如果你在你最喜欢的节目被播出的时候打开电视,你的行为会导致那个节目在那一刻被播出。“人们普遍认为,TSVF在数学上等同于标准量子力学,但它确实会让人看到一些本来不会被看到的东西。”南加州大学(University of Southern California)专门研究量子力学解释的科学哲学家戴维·华莱士(David Wallace)表示。

例如,2003年,Aharonov和他的同事列弗·瓦伊德曼(Lev Vaidman)设计的双缝实验版本,他们使用TSVF解释了这个实验。他们描述(注意,并不是建造)了一个光学系统,其中一个光子充当“快门”的角色,这个光子使另一个接近狭缝的“探针”光子按原路反射回去来关闭狭缝。Aharonov和Vaidman指出,通过应用后选择法来对探测光子进行测量,一个人可以在叠加状态下识别同时闭合两个(或任意多个)狭缝的“快门”光子。换句话说,这个思想实验在理论上可以让我们自信地说,“快门”光子同时在“这里”和“那里”。尽管从我们的日常经验来看,这种情况似乎是相互矛盾的,但它是量子粒子所谓“非局部”性质的一个被充分研究过的方面,在这个方面,空间中一个明确定义的位置的这个概念不复存在。

2016年,日本京都大学(Kyoto University)的物理学家Ryo Okamoto和Takeuchi Shigeki通过实验验证了Aharonov和Vaidman的预测,他们利用一种能携带光的线路,利用量子路由器产生“快门”光子,量子路由器是一种允许一个光子控制另一个光子的路径的设备。Elitzur的同事、安大略渥太华大学的Eliahu Cohen说:“这是一项开创性的实验,它允许人们同时推断粒子在两个地方的即时位置。”现在,Elitzur和Cohen已经与Okamoto和Takeuchi联手合作,设计了一个更加令人难以置信的实验。他们相信,在进行任何实际测量之前,这将使研究人员能够非常有把握地说出在叠加状态中一系列不同的时间点上,粒子所在的位置。

这次,探测光子路径将会被部分反射镜一分为三,沿着这些路径,它可能会在叠加状态中与“快门”光子相互作用。这些相互作用可以被认为发生在标记为A、B和C的盒子里,每一个盒子都位于光子的三个可能路径上。通过观察探测光子的自身干涉,我们可以肯定地得出结论,在特定的时间,“快门”粒子在某一个给定的盒子里。

该实验的设计使探测光子只能在特定的时间和地点与“快门”光子相互作用并显示出干涉现象:即,如果“快门”光子是在t1这一段时间同时出现在A和C盒子中,然后在t2时间段只出现在C盒子中,再接着在t3时间段它又同时出现在了B和C盒子中,那么探测光子的干涉,将会是“快门”光子在不同时间段的盒子中、在这个奇怪的、有违逻辑序列的脱节表象里做出的一个确切的迹象,Elitzur,Cohen和Aharonov在去年提出了这个想法,单个粒子在三个盒子中传播。圣何塞州立大学的物理学家肯·沃顿(Ken Wharton)并没有参与这项新项目,但他说:“我喜欢这篇论文,它用整体的过程而不是瞬时的状态来构建问题的框架。谈论‘状态’其实是一种过时的、普遍存在的偏见,而完整的过程通常要丰富得多而且有趣得多。”

Elitzur和他的同事认为,这种丰富性正是TSVF为我们所提供的。粒子在某一时刻在某一地点的明显消失,以及它们在其他时间和地点的重新出现,为量子粒子在非局域存在中所涉及的潜在过程提供了一个全新而非凡的观点。通过TSVF的视角,Elitzur说,这种闪烁的,不断变化的存在可以理解成为一系列的事件,在这些事件中,一个粒子在一个地方的存在被它在同一个地方的“反粒子”以某种方式“抵消”了。他将这一观点与英国物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)在20世纪20年代提出的观点进行了比较,Dirac认为粒子拥有反粒子,如果粒子和反粒子结合在一起,它们就会相互湮灭。这个设想最初看起来不过只是一种说法,但很快它就导致了反物质的发现。量子粒子的消失不是在这个意义上的“湮灭”,但是在某种程度上这两种“湮灭”是类似的——这些假设的反粒子,Elitzur假设,应该拥有负能量和负质量,允许它们抵消它们的对应粒子。

因此,尽管传统的“同时出现在两个地方”的叠加状态观点可能看起来很奇怪,Elitzur说,“但叠加状态有可能是一些更疯狂的状态的集合,量子力学只是告诉了你它们的平均值罢了”。他建议,后选择的方法允许人们在更大的程度上孤立并检查其中一些状态。他说,这样一种对量子行为的解释将是“革命性的”——因为它将包含许多迄今为止未曾预料到的真实的(但非常奇怪的)状态,这些状态隐藏在违反直觉的量子现象之下。研究人员说,进行实际的实验需要对他们的量子路由器性能进行微调,但他们希望在三到五个月后,他们的系统就能投入使用。目前,一些外部观察人士并没有屏息以待。“这个实验一定会成功,”Wharton说,但他补充说,“实验不会说服任何人相信任何事情,因为结果是由标准量子力学预测出来的。”换句话说,与研究人员解释量子行为的许多其他方式相比,TSVF并没有特别令人信服的理由去说服人们使用它来解释实验结果。

Elitzur同意他们的实验可以用几十年前流行的量子力学传统观点构思出来,但事实是这样的事并没有发生。他问道,“这难道不是TSVF可靠性的一个良好指标吗?”如果有人认为他们可以用标准量子力学来描述这个实验“到底发生了什么”,他补充说,“那好啊,尽管让他们来描述!”

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