众所周知，量子力学理论揭示了世界运作方式中一种根本的怪异之处。我们日常对现实的感知中最核心的常识概念被证明是违反的：矛盾的替代方案可以共存，例如一个物体同时遵循两条不同的路径；物体不会同时具有精确的位置和速度；我们观察到的物体和事件的属性可能受到不可磨灭的随机性的影响，这种随机性与我们工具或视力的不完善无关。
可靠的世界已经消失，在那个世界中，原子和其他粒子像绿色的现实台球桌上表现良好的台球一样移动。相反，它们（有时）表现得像波一样，分散在一个区域，并且能够交叉形成干涉图案。
然而，所有这些奇怪之处似乎仍然远离普通生活。当量子效应涉及微小系统时最为明显，例如原子内部的电子。您可能在抽象意义上知道量子现象是大多数现代技术的基础，并且各种量子奇特现象可以在实验室中得到证明，但在家中看到它们的唯一方法是在电视上的科学节目中。对吗？不尽然。
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我们将向您展示如何设置一个实验，来说明所谓的量子擦除。这种效应涉及量子力学最奇怪的特征之一——采取行动来改变我们对过去事件发生的基本解释的能力。
在我们解释这句话的含义并概述实验本身之前，我们确实必须强调一个警告，以符合广告的真实性。如果您成功进行实验，您将看到的光模式可以通过将光视为经典波来解释，而无需涉及量子力学。因此，在这方面，该实验是一种作弊行为，未能充分证明该效应的量子性质。
然而，构成光波的单个光子确实在进行完整的量子舞蹈，其所有怪异之处都完好无损，尽管您只能通过将光子逐个发送通过该装置并检测它们来真正证明这一点。不幸的是，这样的程序仍然超出了一般家庭实验者的能力范围。尽管如此，通过观察实验中的模式并思考它们在单个光子方面的含义，您可以亲身一睹奇异的量子世界。
如果您想直接进行家庭实验，请参阅侧边栏中的详细说明。以下讨论深入探讨了量子擦除器的一般科学原理。这种解释将帮助您了解自制擦除器所演示的内容，但您可能希望在了解特定类型的擦除器的作用后再回过头来看它。
量子擦除器擦除了什么
量子力学的奇怪特征之一是，事物表现出的行为可能取决于我们试图了解它的内容。因此，电子可以表现得像粒子或像波，这取决于我们对其进行的实验设置。例如，在某些情况下，如果我们确定电子已遵循的特定轨迹，则会出现类似粒子的行为；如果我们不这样做，则会发生类似波的行为。
这种二元性的标准演示依赖于所谓的双缝实验（您的自制量子擦除器与此实验类似，因为它涉及两条路径，而不是两条缝）。光源向一个屏幕发射粒子，该屏幕上有两条狭缝供它们通过。粒子最终到达第二个屏幕，每个粒子都会产生一个点。每个粒子落在哪里在某种程度上是随机且不可预测的，但随着成千上万的粒子累积，这些点会堆积成一个明确的、可预测的模式。当条件适合粒子表现为波时，结果是干涉图案——在这种情况下，是一系列模糊的条纹，称为条纹，其中大多数粒子落在那里，而很少有粒子击中它们之间的间隙。
只有当每个粒子都可能穿过两条狭缝中的任何一条，并且无法确定每个粒子穿过哪条狭缝时，粒子才会产生干涉图案。这两条路径被称为无法区分，并且每个粒子的行为都好像它实际上穿过了两条狭缝。根据现代量子力学的理解，当无法区分的替代方案以这种方式组合时，就会发生干涉。
当两个或多个替代方案共存时，这种情况称为叠加。埃尔温·薛定谔在 1935 年提出了他现在臭名昭著的猫的概念，即一只同时处于活着和死亡状态的猫，被密封在一个无法观察到的密封盒子中，从而突出了量子叠加的奇特之处。当发生量子干涉时，实验中的某些东西就像一种薛定谔的猫。但猫不是同时活着和死去，而是可能走在一棵树旁，同时从树的两侧经过。
一旦我们查看薛定谔猫的盒子内部，它就不再处于叠加状态：我们总是看到它是活着或死去，而不是两者兼而有之（尽管量子力学的某些解释认为我们进入了看到死猫或活猫的叠加状态）。如果聚光灯照在树附近，我们会看到量子猫朝一个方向或另一个方向走去。同样，我们可以添加一个测量工具来观察每个粒子通过狭缝。人们可以想象在狭缝上照射光线，以便当每个粒子通过时，我们可以看到从粒子经过的位置散射出的闪光。闪光使两条替代路径可区分，这破坏了叠加，并且粒子到达最终屏幕时不会形成条纹图案，而是形成一个没有特征的斑点。已经进行了类似于这种情况的实验，并且正如量子力学所预测的那样，没有形成干涉图案。
我们实际上不需要“看”。我们不必检测闪光并确定每个粒子走了哪条路。信息存在于闪光中并且可能以这种方式被观察到就足够了。
现在我们终于要讲到量子擦除器了。擦除器可以擦除指示每个粒子所遵循路径的信息，从而恢复替代方案的无法区分性并恢复干涉。
擦除器如何做到这一点？想象一下，从每个粒子散射出来的“闪光”是一个单光子。为了让光子揭示粒子的“哪条路径？”信息，必须有可能（即使只是原则上）分辨出光子来自哪条狭缝。这意味着我们必须能够足够准确地测量每个光子散射的位置，以区分狭缝。然而，海森堡不确定性原理告诉我们，如果我们改为非常精确地测量每个光子的动量，那么光子的位置就会变得不太明确。因此，如果我们让光子通过一个镜头，使它们的动量信息可用，那么关于它们位置的信息就会被擦除。当这种情况发生时，粒子可以遵循的两条路径再次变得无法区分，并且干涉得以恢复。
我们遗漏了一个最后的棘手细节，但我们稍后会回到这一点。首先，停下来更多地思考一下我们刚刚描述的擦除过程中发生的事情，因为这就是怪异之处所在。当我们检测到其中一个光子散射的位置时，我们了解到其对应的粒子穿过了哪条狭缝，这意味着粒子确实穿过了一条狭缝或另一条狭缝，而不是两条狭缝都穿过。然而，如果我们改为检测光子的动量，我们就无法知道粒子穿过了哪条狭缝。更重要的是，当我们进行多次动量测量并看到干涉图案时，我们推断在这些情况下，粒子穿过了两条狭缝（否则干涉是不可能的）。
换句话说，对于问题“粒子是穿过一条狭缝还是两条狭缝？”的回答取决于我们对与其对应的光子所做的事情，而这发生在粒子通过后很久。这几乎就像我们对光子的行为影响了过去事件中发生的事情。我们可以找出粒子穿过了哪条狭缝，或者我们可以使用量子擦除器从宇宙中删除该信息。
最奇怪的是，我们可以在粒子通过狭缝后决定进行哪种测量——我们可以安装用于两种替代测量的装置，并在每个光子到达之前拨动开关。物理学家将这种变体称为延迟选择实验，这是德克萨斯大学奥斯汀分校的约翰·A·惠勒在 1978 年提出的一个想法，它扩展了尼尔斯·玻尔和阿尔伯特·爱因斯坦在 1935 年关于量子力学和现实本质的争论中使用的一个场景。
此时，一些特别聪明的读者会担心一个似乎破坏了我们刚才描述的基本问题：为什么我们不能延迟选择我们的光子测量，直到我们看到粒子是否形成干涉图案？事实上，我们可以安排这样做，方法是让最终屏幕离狭缝不太远，而光子探测器离得更远。那么，如果我们看到粒子形成条纹，然后选择进行光子位置测量，而这应该会阻止条纹形成，会发生什么？难道我们不应该期望已经记录的干涉图案消失吗？类似的推理表明，我们可以使用延迟选择效应来瞬时传输消息到任意距离（从而绕过光速）。
我们之前遗漏的棘手细节是拯救局面的关键：为了在应用量子擦除器后看到粒子的干涉，我们首先必须将它们分成两组并分别观察这两组。一组将显示原始的条纹图案；另一组将显示该图案的反转图案，粒子落在最初的暗带上，并避开最初明亮条纹的位置。两组组合在一起填补了所有间隙，从而隐藏了干涉。
之所以避免了悖论，是因为我们需要来自光子测量的数据才能知道每个粒子属于哪个组。因此，我们必须在进行光子测量之后才能观察到条纹，因为只有那时我们才知道如何将粒子分成组。在家庭实验中，分组粒子的过程是自动为您完成的，因为一组粒子会被偏振滤光片阻挡，因此您可以用自己的眼睛看到通过该组粒子的干涉图案。在最后一步中，您可以在彼此相邻的位置看到两组粒子的干涉图案。
从实际的角度来看，无法以超过光速的速度发送消息并制造悖论可能令人失望，但物理学家和逻辑学家认为这是一个非常好的特性。