兩隻“量子柴郡貓”如何交換笑臉

看過童話《愛麗絲夢遊仙境》的人都會記住那隻咧着嘴笑的貓——“柴郡貓”，它（本體）可以憑空消失，但笑臉（屬性）還掛在半空中。

經典世界中的物體擁有各種各樣的屬性，如質量、體積等等。一般認為，物體本體與其擁有的屬性是不可分離的，然而在量子世界中情況卻有所不同。2013年的理論研究表明，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，這種現象被沃爾夫獎獲得者亞基爾·阿哈羅諾夫（Yakir Aharonov）等人稱為“量子柴郡貓”。

中國科學技術大學一項最新研究成果表明，在量子世界中物質與其物理屬性存在更為靈活多變的關係。“量子柴郡貓”所具有的屬性不僅可以從其本體剝離，甚至可以被另一隻“柴郡貓”捕獲。也就是説，兩隻“柴郡貓”可以交換笑臉。

日前，國際學術期刊《自然·通訊》發表了這項研究成果。本報7月14日刊發報道《我學者揭示“量子柴郡貓”獨特量子特性》引發社會關注，圍繞大家關心的問題，記者再次採訪了該科研團隊。

新穎的測量手段

為了能夠揭示“量子柴郡貓”笑臉的交換，中國科學技術大學郭光燦院士團隊採用了被稱為量子弱測量的技術。

“之所以被稱為弱測量，是相對標準量子力學中的強測量而言的。”團隊成員許小冶介紹説，眾所周知，對描述微觀量子系統波函數實施強測量，會將系統波函數隨機坍縮到測量算符的某一個本徵態，這個過程將不可避免地破壞量子系統的狀態。例如使用檢偏器對光子的偏振狀態進行鑑定，儘管最終能夠確定光子的偏振方向，但同時也會完全破壞初始狀態，除非光子一開始就是處在檢偏器的本徵指向上。之所以將這個過程稱為強測量，是因為測量過程中需要完成待測量子系統和測量探針之間的耦合，並且這個耦合是如此之強，能夠將系統和探針完全糾纏起來。

而量子弱測量則考慮另外一種情況，那就是系統和探針之間的相互作用非常微弱，以至於不會破壞系統的量子狀態，系統在發生耦合之後還可以繼續演化，同時微弱的測量耦合也不會提供關於系統狀態的有用信息。“這個概念在量子力學中是一個比較古老的話題，直到亞基爾·阿哈羅諾夫等三名科學家於1988年提出弱值的概念後，開始受到廣泛關注。”許小冶説，和量子強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和後選擇態上，由兩者共同決定。三位科學家在最初的文章中指出，弱值不再是可觀測量的本徵值，可以遠超過本徵值的範圍，甚至可以取複數值。

儘管弱值概念廣受爭議，但在量子信息技術中已被廣泛應用。例如中國科學技術大學研究團隊在2013年基於弱值實現阿秒量級的高精度時間延時測量，以及最近實現糾纏系統波函數的直接表徵。由於弱測量對系統狀態的破壞可以做到最小，該技術在探索量子力學基本問題方面同樣被廣泛使用，例如測量微觀粒子的波姆軌跡，以及觀測楊氏雙縫中非局域的動量傳遞。

本體和屬性的分離

在最初版本中，亞基爾·阿哈羅諾夫等人考慮將光子作為“量子柴郡貓”，並且將光子的自旋（偏振）作為其笑臉。整個系統由一個干涉儀構成，其中光子在經過分束鏡後，可以選擇上下兩個路徑。“我們可以通過對光子實施兩組所謂的弱測量來揭示光子本體和其屬性的分離，其中一組用於測量光子本體所處的位置，另一組則用於測量其自旋狀態，也就是柴郡貓的笑臉的位置，測量結果則由弱值描述。”

亞基爾·阿哈羅諾夫等人發現，通過精巧設置合適的前後選擇態，就可以展現類似《愛麗絲夢遊仙境》中柴郡貓與其笑臉分離的現象。具體來説，在干涉儀的上路徑中，對路徑及條件自旋觀測量實施的弱測量給出相應的弱值分別為0和1，也就是説，有一個沒有貓的笑臉出現在該路徑中。相應的，在下路徑中實施的弱測量得到的弱值分別為1和0，也就是説，下路徑中出現了一隻沒有笑臉的貓。簡而言之，在干涉儀中“量子柴郡貓”和它的笑臉被分開了。

在“量子柴郡貓”的概念被提出後不久，來自奧地利維也納科技大學的實驗物理學家便利用中子進行了實驗演示。在中子干涉儀中，通過外加磁場，精確調控其自旋和路徑的量子狀態，從而實現前選擇態的製備以及後選擇操作。實驗結果正如亞基爾·阿哈羅諾夫等人所預言的那樣，在干涉儀中，中子的自旋總是出現在與其本體位置相反的另一臂。緊接着，美國波特蘭大學的實驗物理學家使用自發參量下轉換過程產生的可預報單光子進行了類似的實驗，同樣看到了“量子柴郡貓”現象。

笑臉的無接觸交換

中國科學技術大學郭光燦院士團隊的李傳鋒、許金時、許小冶等人與南開大學陳景靈教授合作，基於光子的偏振與其本體分離，進一步實現兩個光子偏振的無接觸交換，揭示了“量子柴郡貓”的獨特量子特性。

“然而，觀察‘量子柴郡貓’的笑臉交換並不容易，這涉及對多體量子系統弱值提取的難題。”許小冶介紹説，提取弱值的通常做法是引入輔助探針，當系統增大時，所需的耦合過程將會越來越複雜。想要實現光子偏振的無接觸交換，勢必涉及多個“量子柴郡貓”，進一步在系統中引入額外探針面臨技術挑戰。

實驗中，研究組首先通過自發參量下轉換過程，製備出不存在經典描述的雙光子超糾纏態。在這種狀態下，兩個光子的偏振和路徑自由度分別處於最大糾纏態，但是兩個維度之間處於毫無關聯的直積狀態。進一步通過在某些路徑上施加自旋操作，將雙光子製備到特定圖態，完成前選擇態的製備。隨後在光路中引入虛時演化，實現對光子路徑和自旋的弱測量。最後進行一種被稱為聯合貝爾態測量的操作，完成對系統的後選擇。通過對不同的微擾種類和演化時間下的光子探測效率分析，就可以進一步獲得光子的路徑和偏振可觀測量的弱值。這些弱值表明，實驗中的兩光子都展現出本體和屬性分離的“量子柴郡貓”現象。

該研究成果展示了量子世界中物質與其屬性的靈活多變的關係，是理解量子力學基礎問題的重要進展，對探索微觀粒子的性質在接受測量之前是否具有實在性具有啓發意義，將對量子力學基礎問題的研究起到重要推動作用。