量子物理学最费解之谜出现新主张：“我的性格不属于我”

在过去一个世纪当中，量子物理学领域最令人费解的现象之一，就是粒子性质在接受测量之前可能处于非真实状态。最近的一项最新思想实验表明，这一结论可能还不够到位：粒子的属性——例如其自旋状态——甚至可能根本就不属于粒子本身。换言之，这就像是认定我们的性格并不属于自己。

这项最新研究宣称，通过所谓“量子柴郡猫”的最新实验版本，可以证明粒子与其属性之间存在着相互冲突的脱节情况。此项实验最初于2013年进行，而名称中的“柴郡猫”则来自Lewis Carroll的不朽名著《爱丽丝梦游仙境》中的知名角色。有趣的是，该书中的柴郡猫本身(相当于实验中的一个粒子)与其微笑(对应粒子的某些属性)也确实彼此脱离。

实验的最新版本以两只笑嘻嘻的柴郡猫开始，其中一只猫停止微笑后，另一只才开始微笑;反之亦然。在量子术语当中，这代表着两个粒子一直在不断交换二者的属性，或者说物理特性。

作为此项研究的共同作者，印度Harish-Chandra研究所(简称HRI)的Arun Kumar Pati指出，“Miels Bohr的观点在于，在对量子系统进行测量之前，我们无法断言其物理属性确实存在，这相当于质疑了物理属性的客观地位。我们的思想实验则让这一观点更进了一步。这些属性不仅不真实，而且就连归属性也存疑。其在更深层次上对现实提出了质疑。”

弱与强的对抗

为了得出结论，Pati和他HRI的同事Debmalya Das采用了一种被称为弱测量的技术。

在标准量子力学当中，检查粒子或原子等量子系统的状态时往往涉及所谓强测量方法，其基本原理非常简单，类似于在光子到达检测器时进行记录。研究人员首先会在一定的初始状态下制备粒子，这一过程被称为预选。接下来，在外力的作用下，这些粒子的量子态会随着时间的推移而发生改变，并最终形成多种形态的叠加。强测量结果会随机将这些叠加状态“折叠”成数种可能的状态之一——这一过程将不可避免地带来破坏性影响。举例来说，如果您正在对光子的位置进行测量，那么强测量虽然能够实现光子定位，但也会破坏这种叠加态。

在另一方面，弱测量则要温和得多。其背后的基本思路可以追溯至1988年，这个理念最初是由Yakir Aharonov、David Z. Albert以及Lev Vaidman所设计，当时三位分别就读于南卡罗来纳大学与特拉维夫大学。三人提出设想，如果测量装置与粒子之间的相互作用非常微弱，结果又会如何?虽然这样的测量方式不会破坏量子态(因此状态会继续演变)，但却会带来具有极大不确定性的状态值。因此，如果我们反复进行测量，且作为测量对象的粒子集合拥有相同的准备或者预选前提，那么最终应该能够得到弱测量值的分布情况。

就其本身而言，这种分布并不包含信息量。但只要为这个过程添加一个额外的阶段，情况就会变得非常有趣。在每一次弱测量之后，研究人员们尝试让粒子演进，而后再对其执行破坏性强测量。在此之后，对每个经过预选的弱测量粒子重复同样的强测量操作。由于叠加态会随机崩溃，因此每次强测量都会得出不同的值。现在，只选择那些最终位置符合特定值的粒子——研究人员们将其称为后选择(postselection)。在此之后，丢弃所有最终位置不符合特定值的粒子。Aharonov及其同事表示，现在他们就可以将这些经过后选择的粒子集中起来，把其弱测量值整合为一项“弱值”，从而展示关于粒子属性的某些信息——例如其是否在特定方向上保持着自旋。

这种量子系统测量方法的一大有趣之处，在于其与时间的本质有关。根据Aharonov及其同事开发的数学方法得出，弱值受初始预选量子态(过去)与最终后选择量子态(未来)的影响。通过这种思维方式，我们可以理解成时间实际上是双向流动的，即未来会影响到现在。

属性到底归谁所有?

在2013年进行并于2014年发布结果的首次实验当中，维也纳技术大学的Tobias Denkmayr、查普曼大学的Jeff Tollaksen及其同事利用弱测量成功将“量子柴郡猫”的本体与微笑分离开来。

在他们的实验当中，研究人员将具有特定自转方向的预选中子一个接一个送入分束器——分束器是一种负责将粒子束分为两股的装置。每个进入的中子最终都将处于两种状态的叠加态：取路径A以及取路径B。这两条路径在所谓的干涉仪当中重新组合，从而实现量子态干扰。接下来，将中子朝向输出至探测器。在干涉仪的一条输出路径中，该实验会对中子的特定自旋状态进行强测量。满足这一条件的中子被认定为具有后选择效应，不满足的中子都被实验者们放弃。

对于这些具有后选择效应的粒子，该团队还进行了两组弱测量：一组用于测量粒子的位置，另一组用于测量自旋状态。这些双重测量表明粒子会通过路径B，但其自旋状态的弱值则只能在路径A中测出。如此一来，柴郡猫的本体就与微笑成功分离开来。

创造一只量子柴郡猫

得名于Lewis Carroll的名作《爱丽丝梦游仙境》，这一量子柴郡猫实验旨在将一只“猫”(一个粒子)与其“微笑”(该粒子的某种属性)分离开来。在这项实验(最初于2013年进行，具体流程简化为下图形式)当中，研究人员将具有特定自旋方向(粉色微笑)的多个粒子(一只黑猫)发射通过一套光学系统，其中包含干涉仪、分束器、镜面与探测器。在粒子经过系统时并保持不确定性状态时，其会经历一系列在顺序上经过精心设计的强与弱测量。各粒子会通过两条路径其中之一，但其自旋状态却只会在另一路径中被观察到。换言之，“猫”与其“微笑”被彼此分离开来。

图片来源：Melissa Thomas Baum, Buckyball Design;资料来源：《在物质波干涉仪实验中观察量子柴郡猫》，作者：Tobias Denkmayr等，《自然通讯》，Vol 5， No. 4492;2014年7月29日。

Tollaksen表示，“从准备粒子而后进行强测量的传统观点来看，我们不可能将粒子与其属性分离开来。”他在2001年的博士论文当中就以柴郡猫悖论为题。

现在，Pati与Das已经将柴郡猫实验扩展到他们的思想实验当中。这一实验不仅能够将粒子与其属性分离，而且能够让一个粒子具有先前与另一粒子相关联的属性，反之亦然。

这一思想实验要求并排放置两个干涉仪，使得每个粒子首先遇到分束器。在经过分束器之后，粒子将进入两种状态的叠加态：取左路径与取右路径。

接下来是扭曲：由于以对齐方式设置，因此干涉仪1的右路径(通常与相对应的左路径重新组合)会相反与干涉仪2的右路径重新组合。此外，两个干涉仪的左路径也将重新组合。在重新组合时，各种量子态将彼此干扰。接下来，来自每个干涉仪的两个输出结果将经过一系列分束器与探测器。这些分束器也经过精心设计，其中一种会以一种极化方式行进，而另一种则以另一种极化方式行进。(极化用于描述光子振动电场与磁场方向。)后选择效应只选择那些同时击中六个探测器组的特定光子。所有其它光子都将被丢弃。

根据Pati与Das的说明，如果要计算后选择集合当中每对光子的位置与极化的弱值，那么该弱值将表明光子1穿过干涉仪1的左路径，其极化现象则会出现在干涉仪2的左路径中。同样的，光子2将出现在干涉仪2的右路径中，其极化现象也同样出现在干涉1的右路径中。通过这种方式，研究人员希望解释测量得出的弱值的意义。

两只量子猫交换微笑

最新设计的这一量子柴郡猫实验不仅要将粒子本体与其属性分离开来，同时还要在不同粒子之间实现属性交换。换言之，新的实验版本会在执行多轮强与弱测量之前对两个干涉仪的输出结果进行混合，这意味着两个光子(白猫与黑猫)将与其极化现象(蓝色与粉色微笑)解耦。下图所示展示了两个光子的各自路径，及其在通过光子系统时接受弱测量所得出的结果。根据研究人员所言，这项实验的最终结果必然是极化状态彼此交换，且在两个在空间上彼此独立的光子之间构成单一纠缠态。

图片来源：Melissa Thomas Baum、Buckyball Design;资料来源：《两只量子柴郡猫会交换微笑吗?》，作者：Debmalya Das等人，arXiv:10904.07707;2019年4月14日。

对思想实验的这一解释表明，在对粒子本体及其属性进行解耦，对其路径重新组合并进行强测量之后，光子1最终得到了光子2的极化现象，反之亦然。猫和它们的微笑首先分离，而后两只猫互相交换了微笑。此外，尽管光子与其初始属性分离开来，但仍然会以统一的纠缠态作为结束——这意味着这些光子只能通过单一全局量子态进行描述。

对于已经习惯了弱测量所带来的种种悖论的Tollaksen来说，“这样的结果并不让我意外”，但“这仍是一项非常出色的工作。”

细节上的分歧

多伦多大学的实验主义学者Aephraim Stenberg对此同样没有感到意外，但具体原因却有所不同。他指出，粒子之间的相互作用会导致这些粒子发生纠缠(正如Pati与Das的思想实验中所发生的现象)，这种纠缠将使得不同粒子之间交换属性。Steinberg表示，这种交换正是所谓SWAP门的基础所在——这是一种已经经过充分研究，并可用于实现量子计算的操作。他补充称，“如果他们能够在不需要交互的情况下实现极化现象交换，那倒确实是非常有趣。”

但真正让Steinberg感到意外甚至是担忧的，在于此次新实验的具体设计。他指出，“这次实验让两个光子穿过一组干涉仪，进而使得六个不同的探测器得以同时被激活。这当然是不可能的。作者似乎是设想到其中一个探测器能够感应到光子的位置，而另一个处于不同位置的探测器则可以同时测量光子的极化。从这个意义上说，他们似乎从起步开始就试图「默认」光子不同属性的分离，而非设计一个实验来证明这一点。”

Tollaksen同时表示，在只发射两个光子的情况下不可能同时激活六个探测器。但他认为Pati与Das的思路确有合理之处。他解释称，“据我所知，或者说在我看来，即使是所有六个探测器都被激活，通过这一光学系统进行反推后也能够得出正确的两个光子这一实验条件，且后选择效应同样正确无误。如果是这样的话，那么之前提到的「默认」交换问题好像也不是非常严重。”

不过Pati表示，他和Das的实验应该会带来与预期完全相符的运行结果——同时不违背现有技术基础。他指出，“探测器之所以被激活，是因为其分别接收到了不同的自由度，或者说两个光子的不同属性。”也正因为如此，六个探测器才会被同时激活。

还有另一个更大的问题，即由弱测量所获得的弱值为我们带来的“真相”。澳大利亚国立大学理论家Michael Hall表示，“总的来说，我认为量子柴郡猫在很大程度仍是个「悖论」。弱值并不是个别测量的一般性结果，而只是多次重复测量所得出的平均值。”Hall认为这样的平均值并不能保证与单一强测量的结果相一致。

然而，弱测量已经被用于某些看似不可能的场景。举例来说，如果我们选择的粒子在初始状态与后选择态之间只存在极小的重叠，那么未被选中而必须被丢弃的粒子将占据极高的百分比。但对于剩下的极少数粒子，其弱值则可能非常有用。罗切斯特大学的John C. Howell和他的同事已经利用这些弱值测量了大约14个飞秒内的粒子位移——其尺寸大体相当于铀原子核。

除了对于Pati与Das的思想实验表示怀疑之外，人们也提出了关于弱值能否正确描述量子世界理论的争议，特别是时间在其中的作用。Tollaksen总结称，“我们需要开始考虑未来与现在的相关性。对于任何特定时刻，粒子的属性都会受到未来的影响。只要能够转变并接受这样的思维，所有这一切，包括柴郡猫现象，都不会令人惊讶。”