《物理》2020年第9期：兩只“量子柴郡貓”笑臉的無接觸交換

本文選自《物理》2020年第9期

01 理論背景

在經(jīng)典世界中，物體都擁有豐富的屬性，如質(zhì)量、體積等等?？梢哉f，正是對這些屬性的認(rèn)識(shí)和描述，在人們腦海中形成各種各樣客觀實(shí)在的物理圖像。對客觀存在的物體的各種屬性及其相互聯(lián)系和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，構(gòu)成了我們今天的物理學(xué)。直覺告訴我們，物理本體與其擁有的屬性是不可分離的[1]。然而，這個(gè)直覺源自對經(jīng)典世界中物理客體的認(rèn)識(shí)，并嚴(yán)重依賴于經(jīng)典物理圖像。當(dāng)我們將視角聚焦到微觀尺度，研究半徑只有不到一個(gè)皮米(10-12m)的電子或是波長不到一個(gè)微米(10-6m)的光子時(shí)，情況就變得有所不同。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)獲得者阿哈羅諾夫等人稱之為“量子柴郡貓”(quantum Cheshire cat)[2]。

02 弱測量與弱值

為了揭示微觀世界中的“量子柴郡貓”現(xiàn)象，需要使用有別于傳統(tǒng)量子測量的手段，也就是量子弱測量技術(shù)。這里之所以被冠以“弱”，是相對于傳統(tǒng)量子測量表現(xiàn)出的“強(qiáng)”而言的。在傳統(tǒng)的量子測量理論中，測量用可觀測量算符表示[3]。對描述微觀系統(tǒng)的波函數(shù)實(shí)施的量子測量，會(huì)將系統(tǒng)隨機(jī)坍縮到測量算符的某一個(gè)本征態(tài)[4]，這個(gè)過程將不可避免地破壞量子系統(tǒng)的狀態(tài)。例如使用檢偏器對光子的偏振狀態(tài)進(jìn)行鑒定，盡管最終能夠確定光子的偏振方向，但同時(shí)也會(huì)完全破壞初始狀態(tài)，除非光子一開始就處在檢偏器的本征指向上。在該測量過程中，正是由于需要完成待測量子系統(tǒng)和測量探針之間足夠強(qiáng)的耦合，以至于能將系統(tǒng)和探針完全糾纏起來，我們將其稱之為強(qiáng)測量。

與之相對應(yīng)，量子弱測量則考慮另外一種情況，那就是系統(tǒng)和探針之間的耦合非常微弱，以至于被測系統(tǒng)和探針仍然處于接近獨(dú)立的狀態(tài)。如此弱的耦合不會(huì)對系統(tǒng)造成演化過程的過分干擾，系統(tǒng)還可以繼續(xù)完成后續(xù)相干演化，但同時(shí)弱測量也不會(huì)提供關(guān)于系統(tǒng)狀態(tài)的確定性信息。作為量子力學(xué)中一個(gè)比較古老的話題，直到弱值概念被提出后，弱測量才開始受到應(yīng)有的關(guān)注[5]。和量子強(qiáng)測量中定義可觀測量的期望值一樣，可觀測量的弱值被定義在前選擇態(tài)和后選擇態(tài)上，由兩者共同決定，即。但有別于傳統(tǒng)期望值，弱值并不局限于在可觀測量本征值上進(jìn)行取值，可以遠(yuǎn)超過這個(gè)范圍，甚至可以取復(fù)數(shù)值。無論是面向量子信息開發(fā)新技術(shù)還是探索量子力學(xué)基本問題，弱測量和弱值的概念都被廣泛采用：在技術(shù)層面，如開發(fā)基于白光源的高精度時(shí)間延遲測量[6，7]，以及直接表征糾纏系統(tǒng)波函數(shù)[8]等；而在基礎(chǔ)研究層面，如重構(gòu)微觀粒子的玻姆軌跡[9]，以及觀測楊氏雙縫中非局域的動(dòng)量傳遞[10]等。?

03 概念提出與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

回到如何揭示“量子柴郡貓”這個(gè)問題，在其最初版本中，阿哈羅諾夫等人考慮將光子作為“量子柴郡貓”，并且將光子的自旋(偏振)作為其笑臉[2]。簡化示意如圖1所示，其中包括分束器、反射鏡及探測器等。整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè) Mach—Zehnder 干涉儀構(gòu)成，其中光子在經(jīng)過分束鏡后，可以選擇上下兩個(gè)路徑。我們可以通過對光子實(shí)施兩組弱測量來揭示光子本體和其屬性的分離，其中一組用于測量光子本體所處的位置(用路徑可觀測量，表示)，另一組則用于測量其自旋狀態(tài)，也就是柴郡貓的笑臉(用條件自旋可觀測量，表示)，測量結(jié)果則由相應(yīng)的弱值描述。當(dāng)某個(gè)路徑可觀測量的弱值為1時(shí)，表明光子本體出現(xiàn)在相應(yīng)的路徑當(dāng)中，取值為0則表明光子本體未處于相應(yīng)的路徑當(dāng)中；類似地，條件自旋投影子的弱值為 1/0?則表明光子的自旋(笑臉)出現(xiàn)/未出現(xiàn)在相應(yīng)的路徑中。阿哈羅諾夫等人指出，通過精巧設(shè)置合適的前后選擇態(tài)，就有可能展現(xiàn)類似《愛麗絲夢游仙境》中柴郡貓與其笑臉分離的現(xiàn)象[11]。具體來說，在 Mach—Zehnder 干涉儀的上路徑中，對路徑及條件自旋觀測量實(shí)施的弱測量給出相應(yīng)的弱值分別為0和1，也就是說，有一只沒有貓的笑臉出現(xiàn)在該路徑中。相應(yīng)的，在下路徑中實(shí)施的弱測量得到的弱值分別為1和0，也就是說，下路徑中出現(xiàn)了一只缺少了笑臉的貓。簡而言之，在干涉儀中“量子柴郡貓”和它的笑臉被分開了。

圖1 由 Mach—Zehnder 干涉儀構(gòu)成，揭示“量子柴郡貓”效應(yīng)的示意圖

在“量子柴郡貓”的概念被提出后不久，來自奧地利維也納科技大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家便利用中子進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)演示[12]。他們通過在中子干涉儀中外加磁場，精確調(diào)控中子的自旋和路徑的量子狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了前選擇態(tài)的制備以及后選擇的操作。在干涉儀的兩臂中施加弱測量獲得所需要的中子路徑及條件自旋的弱值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果正如阿哈羅諾夫等人所預(yù)言的那樣，在干涉儀中，中子的自旋總是出現(xiàn)在與其本體位置相反的另一臂。緊接著，美國波特蘭大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家使用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的可預(yù)報(bào)單光子進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)，同樣看到了“量子柴郡貓”現(xiàn)象[13]。

04 缺陷與爭議

這些實(shí)驗(yàn)進(jìn)展表明，不論是有質(zhì)量的中子還是無質(zhì)量的光子，都能展現(xiàn)出這種不符合常理卻真實(shí)存在的量子現(xiàn)象。然而，利用光子進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)備受爭議，因?yàn)檫@種現(xiàn)象在基于經(jīng)典光的干涉儀中同樣能夠觀察到，并且這樣的實(shí)驗(yàn)可以用描述電磁波的經(jīng)典波動(dòng)理論予以解釋[14]。因此，“量子柴郡貓”在多大程度上是屬于量子世界，這一問題亟需得到確認(rèn)。另一方面，既有實(shí)驗(yàn)盡管展示了微觀粒子在演化過程中可以處于本體與屬性的分離，但是最終它們?nèi)匀?a href="http://srfitnesspt.com/article/zt/" target="_blank">聚合到了一起。既然物理屬性可以從其本體分離，隨之也自然會(huì)帶來如下問題：物理客體是否可以攜帶本不屬于自己的物理屬性呢[15]？因此，進(jìn)行更為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步展示“量子柴郡貓”的獨(dú)特量子效應(yīng)，例如實(shí)現(xiàn)涉及多個(gè)“量子柴郡貓”笑臉的交換，可以從正面回答這兩方面的爭議，對理解量子系統(tǒng)如何從根本上區(qū)別于其經(jīng)典對應(yīng)具有重要的物理意義。

05 笑臉的隔空交換

然而，嘗試觀察“量子柴郡貓”的笑臉交換并不容易，這涉及到對多體量子系統(tǒng)弱值提取的難題[16—18]。提取弱值的通常做法是引入輔助探針，當(dāng)系統(tǒng)增大時(shí)，所需的耦合過程將會(huì)越來越復(fù)雜。想要實(shí)現(xiàn)光子偏振的無接觸交換，勢必涉及多個(gè)“量子柴郡貓”，進(jìn)一步在系統(tǒng)中引入額外探針面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。我們經(jīng)過理論研究發(fā)現(xiàn)，通過對系統(tǒng)施加微擾，可以繞過傳統(tǒng)的弱測量方法，利用系統(tǒng)探測概率與微擾強(qiáng)度之間的內(nèi)在聯(lián)系，直接得到所需要的弱值[19]。此外，我們還發(fā)現(xiàn)獲得弱值所需的微擾形式，與數(shù)學(xué)中的虛數(shù)概念有著深刻的聯(lián)系。在量子力學(xué)中，一個(gè)封閉體系的演化遵循薛定諤方程，時(shí)間是演化的一個(gè)參數(shù)。如果將演化的時(shí)間取為一個(gè)絕對值很小的虛數(shù)，對應(yīng)的微擾將使體系不再封閉，但是這種演化恰好可以將光子最后被測量的概率與演化的時(shí)間聯(lián)系起來，在兩者之間建立一個(gè)線性的關(guān)系。這個(gè)線性模型的斜率就剛好給出弱值，而相應(yīng)的微擾被稱之為虛時(shí)演化[20]。

圖2 實(shí)現(xiàn)“量子柴郡貓”笑臉交換的實(shí)驗(yàn)裝置。包括3個(gè)模塊：基于自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換的雙光子超糾纏態(tài)制備，使用平行偏振分束器實(shí)現(xiàn)條件自旋可觀測量弱測量的裝置，以及實(shí)現(xiàn)笑臉交換的雙光子干涉光路(改編自文獻(xiàn)[19])

如圖2所示，我們首先通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程，制備出不存在經(jīng)典描述的雙光子超糾纏態(tài)，也就是兩個(gè)光子的偏振和路徑自由度分別處于最大糾纏態(tài)，但是兩個(gè)維度之間處于毫無關(guān)聯(lián)的直積狀態(tài)。進(jìn)一步通過在路徑和自旋上施加一些精確的受控操作，將雙光子制備到特定圖態(tài)，完成前選擇態(tài)的制備。緊接著，我們通過在光路中引入虛時(shí)演化，實(shí)現(xiàn)對光子路徑和條件自旋的弱測量。在實(shí)驗(yàn)的最后，通過實(shí)施一種被稱為聯(lián)合貝爾態(tài)測量的操作，完成對系統(tǒng)的后選擇。我們通過對不同的微擾種類和演化時(shí)間下光子探測效率地分析，最終獲得了光子的路徑和條件偏振可觀測量的弱值。實(shí)驗(yàn)的主要結(jié)果如圖3所示。這些弱值表明，實(shí)驗(yàn)中的兩光子都展現(xiàn)出本體和屬性分離的“量子柴郡貓”現(xiàn)象。更為重要的是，最終每只量子柴郡貓都會(huì)捕獲另一只貓的偏振屬性。這個(gè)新捕獲的偏振替代了光子原先的偏振屬性，隨著光子最終進(jìn)入探測器而被檢測到，最終實(shí)現(xiàn)光子本體與其初始時(shí)刻攜帶的自旋屬性的永久分離。

圖3 歸一化符合計(jì)數(shù)隨耦合時(shí)間線性變化(a)，其斜率給出相應(yīng)可觀測量的弱值(b)。其中Anna和Belle是兩只柴郡貓的名字(改編自文獻(xiàn)[19])

該研究成果最近發(fā)表在《自然·通訊》[19]。實(shí)現(xiàn)多個(gè)“量子柴郡貓”的笑臉交換，展示了量子世界中物質(zhì)與其屬性的靈活多變的關(guān)系，對探索微觀粒子的性質(zhì)在接受測量之前是否具有實(shí)在性(真實(shí)，reality)具有啟發(fā)意義，將對量子力學(xué)基礎(chǔ)問題的研究起到重要推動(dòng)作用。另一方面，通過引入微擾獲得弱值，從而規(guī)避傳統(tǒng)方法對額外輔助探針的需求，也將成為解決量子科學(xué)領(lǐng)域其他難題的有力工具。

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原文標(biāo)題：兩只“量子柴郡貓”笑臉的無接觸交換

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