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天恒科普|量子“鸡生蛋”实验,模糊了时间的先后顺序
发表时间:2017-03-15

在日常经验中,事件的出现会按照明确的顺序先后发生是一件很自然的事情。例如,清晨的闹钟响了,唤醒了在梦乡中的你,又或者反过来。然而,一项新的实验表明,当研究的对象是光子(组成光的粒子)时,我们或许就无法分辨出两个事件的发生顺序了。这抹灭了我们关于时间先后的常识性概念,并潜在地混淆了因果关系的概念。作为一种量子开关(Quantum Switch),这一装置或许能为新兴的量子信息技术提供一个有用的新工具。

量子力学已经颠覆了我们认为一个物体在同一时间只能处于一个地方的概念。奇异的量子力学让像电子这样的微小粒子可以同时存在于多个地方。对于两个事件A和B,量子开关可以实现类似的事情:它即可以证明A先于B发生,也可以证明B先于A发生。


2009年第一次提出这个概念的理论物理学家之一,英国牛津大学的Giulio Chiribella说:“我很高兴看到人们通过真实的实验来实现我们的想法。”

为了验证这一现象,澳大利亚昆士兰大学的物理学家Andrew White与同事拍摄了光子通过一个干涉仪的过程,在干涉仪这一装置中,光子会沿两条路径分叉然后重新合并。光子既是粒子,又是可被极化(偏振,polarised)而在水平或垂直方向上蜿蜒前行的电磁波。

研究人员对他们的装置进行了以下设置:如果光子发生垂直极化,它将首先采用左侧的路径,然后迅速返回,通过一个不同的端口进入装置,采用右侧的路径。如果光子发生水平极化,它将首先采用右侧的路径,然后采用左侧的路径。



但是量子力学允许光子同时在水平和垂直方向上发生极化,使其产生对角极化(diagonally polarised)。当对角极化的光子进入仪器时,它的波函数会分裂为垂直极化和水平极化两部分,而光子则同时采取两种路径,直到在仪器出口处,来自不同路径的波再次合并。当光子重复这趟行程时,它会再次同时采用两条路径,虽然光子的任一部分波函数对于一个路径仅会采用一次。因此,要说出光子以哪个顺序通过了路径是不可能的。


棘手的部分在于证明实验过程中发生了什么。物理学家不能只是通过插入探测器来揭示在干涉仪的迷宫中,光子可能在哪里。能让光子同时采用两条路径的条件是非常微妙且易失去的,而由于量子力学本身的奇异性,这种确定性的测量会使这些条件坍缩,从而破坏整个实验。相反,物理学家必须找到一种更温和的方式,给光子印上它穿过某一特定的路径后的痕迹。

要做到这一点,他们利用了每一束光除了极化之外还有形状,或者说空间分布(spatial distribution)这一事实。实验者可以通过将透镜和其他光学元件放置于每条光子穿行的路径上,进而温和地改变光脉冲的形状,这些改变是实验中的实际“事件”。取决于物理学家在每条路径上做出了哪些变化,当来自两条路径的波函数重新合并时,光子的极化可以从一个对角线方向翻转成另一个。这个微妙的连接是实验的关键。

经过多次尝试,物理学家在两条路径上实施了不同形状变化的组合,就像是在一堆设置中选择两个不同的旋钮。如果每一个光子一定要先选择其中的某条路径,按钮设置与光子最后的极化间的关联(correlation)必须遵循一定的限制。然而,如果两者最先采用了两种途径,关联就会超出这些限制,这正是物理学家在发表于《物理评论快报》中一篇论文中观察到的。

实验者独立地选择了两条路径中的操作。然而,从事这项实验的物理学家Cyril Branciard说,原则上,实验表明量子力学允许两个过程相互触发的可能性,“事件A可能导致另一个事件B,同时事件B导致事件A。

2015年,维也纳大学的物理学家进行了类似的实验,曾从事于那次实验研究的理论物理学家Caslav Brukner说,新的实验克服了第一次实验中的技术限制,并且可能更容易扩展到实际应用中。

量子开关可以应用于许多萌芽技术,例如,操纵和传输编码于单个光子中的量子态和其他量子粒子中的信息。这类装置必须通过量子信道(例如光纤)来传递粒子,而这些量子信道总是受到噪声的干扰。

但是Moreno表示,即便两个这样的量子信道中的噪声干扰太严重,以致于无法传递量子信息,理论上它们仍可以被制作成量子开关,使得信息能够流动。“你引入的是不可区分的顺序,然后突然间就可以沟通了,这真的是非常酷!”