自旋交换粒子可能是“量子柴郡猫”

上个世纪量子物理学最令人费解的启示之一是，粒子的属性可能在被测量之前都不是真实的。现在，一项思想实验表明，这个结论可能过于温顺：似乎粒子的属性——例如它们的自旋——甚至可能不属于它们。这种可能性类似于说你的个性不属于你。

该研究声称通过所谓的量子柴郡猫实验的一个版本来证明粒子及其属性之间这种自相矛盾的脱节。该实验于 2013 年首次进行，其名称源于刘易斯·卡罗尔的《爱丽丝梦游仙境》中消失的猫，并且涉及到将猫（实际上是一个粒子）与其笑容（粒子的某些属性）表面上分离。

新版本的实验从两只咧嘴笑的柴郡猫开始，到一只猫的笑容装饰在另一只猫的脸上，反之亦然结束。在量子术语中，它展示了两个粒子如何最终交换它们的属性或物理特性。

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哈里什-钱德拉研究所 (HRI) 的阿伦·库马尔·帕蒂是这项工作的合著者，他说：“尼尔斯·玻尔的观点是，在您对量子系统进行测量之前，您不能说物理属性实际存在。这质疑了物理属性的真实性。我们的思想实验使这种观点更进一步。属性不仅不是真实的，而且它们可能不属于你。它在更深层次上质疑了现实。”

弱测量与强测量

为了得出他们的结论，帕蒂和他在 HRI 的同事德布马利亚·达斯求助于一种称为弱测量的技术。

在标准量子力学中，检查量子系统（例如粒子或原子）的状态涉及所谓的强测量，它可以像探测器记录光子的到达一样简单。粒子首先在某种初始状态下制备，这个过程称为预选择。然后，粒子的量子态在外部力的影响下随时间演化，并且它可以最终处于多种状态的叠加态。强测量随机地将叠加“坍缩”为这些可能的许多状态之一——这是一个不可避免的破坏性过程。例如，如果您要测量光子的位置，强测量会定位光子，但也会破坏叠加。

相比之下，弱测量并不那么强硬。它们代表了一个可以追溯到 1988 年的想法，即由雅基尔·阿哈罗诺夫、大卫·Z·阿尔伯特和列夫·维德曼（当时都在南卡罗来纳大学和特拉维夫大学）提出的理论。三人问道，如果测量设备与粒子的相互作用非常弱会怎样？虽然这种测量不会破坏量子态（因此状态将继续演化），但它会导致状态值具有非常大的不确定性。如果您使用大量相同制备或预选的粒子反复进行测量，那么您将获得弱测量值的分布。

就其本身而言，这种分布信息量不大。但是，在该过程中再添加一个阶段，事情就会变得非常有趣。在每次弱测量之后，您让粒子演化，然后对其进行强破坏性测量。对每个相同预选、弱测量的粒子重复此操作。由于叠加的随机坍缩，每次强测量都会给出不同的值。现在，仅选择那些最终位置具有特定值的粒子——这样做称为后选择。然后丢弃有关所有未进入此后选择阶段的粒子的信息。阿哈罗诺夫和他的同事们认为，您现在可以将后选择粒子子集的弱测量值转换为“弱值”，该“弱值”告诉您有关粒子属性的信息，例如它们在给定方向上的自旋。

这种量子系统方法的一个有趣的成果与时间的本质有关。根据阿哈罗诺夫及其同事开发的数学，弱值受初始预选量子态（过去）和最终后选量子态（未来）的影响。从这种思维方式来看，时间是双向流动的：未来影响现在。

究竟是谁的属性？

在 2014 年发表的首次实验中，维也纳科技大学的托比亚斯·登克迈尔、查普曼大学的杰夫·托拉克森及其同事使用弱测量将量子柴郡猫与其笑容分离。

在他们的实验中，具有特定自旋的预选中子被逐个发送到分束器中，分束器是一种将粒子束分成两束的设备。每个入射中子最终都处于两种状态的叠加态：路径 A 和路径 B。这两条路径在所谓的干涉仪中重新组合，这导致量子态发生干涉。然后，中子朝输出探测器前进。在干涉仪的一个输出路径中，实验涉及对中子的特定自旋态进行强测量。满足此标准的中子被认为是后选择的。实验人员丢弃了所有其他中子以进行分析。

对于后选择的粒子，该团队还进行了两组弱测量：一组用于粒子的位置，另一组用于粒子的自旋。这些双重测量表明，粒子正在通过路径 B，而它们的自旋的弱值只能在路径 A 中测量。猫已与其笑容分离。

托拉克森在他的 2001 年博士论文中写到了柴郡猫悖论，他说：“从制备粒子然后进行强测量的旧视角来看，不可能将粒子与其属性分离。”

现在，帕蒂和达斯将柴郡猫实验扩展到他们的思想实验，该实验不仅将粒子与其属性分离，而且还导致一个粒子获得先前与另一个粒子相关的属性，反之亦然。

该思想实验涉及将两个干涉仪并排放置，这样每个粒子首先遇到分束器。通过分束器后，粒子进入两种状态的叠加态：左路径和右路径。

然后出现了一个转折：设置的对准方式是，干涉仪 1 的右路径（通常会与其相应的左路径重新组合）改为与干涉仪 2 的右路径重新组合。干涉仪的左路径也重新组合。当重新组合时，各种量子态相互干涉。然后，来自每个干涉仪的两个输出遇到一系列分束器和探测器。这些分束器旨在使具有一种偏振类型的光子朝一个方向前进，其余的朝另一个方向前进。（偏振描述了光子振动的电场和磁场的方向。）后选择涉及仅选择那些导致一组特定的六个探测器同时咔哒作响的光子。所有其他光子都被丢弃。

根据帕蒂和达斯的说法，如果有人要计算后选择系综中每对光子的位置和偏振的弱值，那么弱值将表明光子 1 通过了干涉仪 1 的左臂，而它的偏振将出现在干涉仪 2 的左臂中。类似地，光子 2 将出现在干涉仪 2 的右臂中，而它的偏振将出现在干涉仪 1 的右臂中。至少，这就是研究人员解释弱值的方式。

对思想实验的这种解释表明，在粒子及其属性解耦，它们的路径重新组合并最终进行强测量后，光子 1 最终具有光子 2 的偏振，反之亦然。猫和它们的笑容首先被分离，然后猫交换笑容。此外，光子尽管与它们的初始属性分离，但最终都处于一个巨大的纠缠态——这意味着它们只能用一个单一的全局量子态来描述。

“这并不让我感到惊讶，”托拉克森说，他已经习惯了弱测量带来的看似悖论。“但这是一项非常出色的工作。”

关于细节的争议

多伦多大学的实验物理学家艾弗雷姆·斯坦伯格也并不感到惊讶，但原因不同。他指出，粒子之间的相互作用会导致这些粒子纠缠（正如帕蒂和达斯的思想实验中发生的那样），而这种纠缠会导致粒子交换属性。斯坦伯格说，这种交换是所谓的 SWAP 门的基础，SWAP 门是量子计算中使用的经过充分研究的操作。“如果他们能够在从未相互作用的情况下交换他们的偏振，那确实会很有趣，”他补充道。

但斯坦伯格对新实验的设计更加惊讶，甚至感到担忧。“它依赖于两个光子穿过一组干涉仪，然后导致六个不同的探测器同时触发。这当然是不可能的，”他说。“作者似乎在想象一个探测器对光子所在的位置敏感，而另一个探测器（在另一个位置）可以同时测量光子的偏振。从这个意义上说，他们似乎试图从一开始就‘构建’光子不同属性的分离，而不是设计一个实验来揭示它。”

托拉克森也说，只有两个光子让六个探测器同时触发根本是不可能的。但他认为帕蒂和达斯的概念性想法是合理的。“据我所知，在我看来，即使所有六个[探测器]的要求也可以通过正确的光学器件简化为两个，并且仍然产生正确的后选择，”他说。“如果是这样，他们正在研究的基本交换想法可能是可以挽救的。”

但帕蒂说，他和达斯的实验应该按设计工作——而且使用现有技术也可以。“探测器咔哒声是针对两个光子的各种自由度或属性的，”他说，因此允许同时进行六次检测。

还有一个更大的问题是，通过弱测量获得的弱值是否告诉我们一些关于真实事物的信息。“总的来说，我认为量子柴郡猫是一个悖论有点言过其实了，”澳大利亚国立大学的理论物理学家迈克尔·霍尔说。“弱值通常不是个体测量的结果。它们只是多次重复测量的平均值。”霍尔认为，这种平均值不能被赋予与个体强测量结果相同的地位。

然而，弱测量已经用于看似不可能的应用。例如，如果一个人选择粒子的初始状态和后选择状态，使得两者之间的重叠非常小，那么由于未被后选择而必须丢弃的粒子的百分比变得非常大。但是对于剩下的极少数粒子，弱值可能非常有用。罗切斯特大学的约翰·C·豪厄尔和他的同事已经使用这种弱值来测量约 14 飞米的位移，这大约是铀原子核的大小。

尽管人们对帕蒂和达斯的思想实验存在担忧，但关于弱值含义的争论也是关于描述量子世界的正确理论的争论，特别是时间的角色。“你需要开始思考未来对现在的相关性。粒子在任何给定时刻的属性都受到未来的影响，”托拉克森说。“当您将您的思维方式转移到这一点上时，那么所有这些事情，例如柴郡猫，就一点也不令人惊讶了。”