新型雙縫實驗：科學家終於可以觀察到量子疊加狀態的秘密！

在量子疊加狀態中到底發生了什麼?這個問題是量子力學的核心問題，但一直以來都沒有人知道答案。所謂的疊加狀態，就是粒子似乎同時處於兩個或兩個以上的位置或狀態的特殊情況，現在，一組來自以色列和日本的研究人員在一篇新論文中提出了一項實驗，該實驗最終可以讓我們對這一令人困惑的現象的本質有一些確切的了解。

研究人員稱，他們的實驗可以在幾個月內完成，科學家們可以通過這個實驗來觀察物體(在這個實驗中這個物體是光的粒子，則所謂的光子)在疊加狀態時所處的實際位置。研究人員預測，這個問題的答案將比「同時出現在兩個地方」更奇怪、更令人震驚。

疊加狀態的經典例子是將光子發射到屏障中的兩個平行縫。量子力學的一個基本方面是微小的粒子可以像波一樣運動，所以那些穿過一個狹縫的粒子會「干涉」穿過另一個狹縫的粒子，它們起伏的波紋要麼相互增強，要麼相互抵消，在探測器屏幕上形成一個非常有特色的圖案但奇怪的是，即使一次只發射一個粒子，這種干涉也會發生。粒子似乎以某種方式同時穿過了兩條縫，自身干涉了自身。這就是一個疊加狀態。更奇怪的是：如果要測量這樣一個粒子穿過了哪條狹縫的話，測量結果總是表明它只穿過了一條狹縫而已，隨後波狀干涉(如果你願意的話可以稱它為「量子」)也就消失了。測量的行為似乎會「坍縮」疊加狀態。以色列高級研究所的物理學家Avshalom Elitzur說：「我們知道疊加狀態中有一些可疑的事情正在發生，但你就是不能測量到它，這就是量子力學如此可惡的原因。」

幾十年來，研究人員在這種表面上的僵局中停滯不前。如果不仔細觀察，他們就無法確切地說出來疊加狀態是什麼;但如果他們試圖觀察它，它就會消失。Elitzur的前導師，現任職於Chapman大學的以色列物理學家Yakir Aharonov和他的合作者提出了一種可能的解決方案，他們提出了一種方法，可以在測量量子粒子之前推斷出一些東西。Aharonov的方法被稱為量子力學的雙態向量形式體系(Two-State-Vector Formalism，TSVF)，並且假定量子事件在某種意義上是由過去以及將來的量子狀態決定的，也就是說，TSVF假設量子力學作用在時間上是前後相同的，從這個角度來看，各種原因似乎可以在它們產生影響之後，在時間上反向傳播。

但人們不必從字面上理解這個奇怪的概念。相反，在TSVF中，人們可以通過選擇結果來獲得量子系統中發生的事情的回顧性知識：研究人員選擇一個特定的位置來尋找粒子，而不是簡單地測量一個粒子最後的位置在哪裡。這就是所謂的「後選擇」，它提供的信息比任何無條件的觀察結果都要多。這是因為粒子在任何時刻的狀態都要根據它的整個歷史來進行回顧性評估，直到並包括測量為止。但奇怪之處在於，研究人員似乎只是選擇尋找一個特定的結果，然後就導致了這個結果的發生，這有點像得出這樣的結論：如果你在你最喜歡的節目被播出的時候打開電視，你的行為會導致那個節目在那一刻被播出。「人們普遍認為，TSVF在數學上等同於標準量子力學，但它確實會讓人看到一些本來不會被看到的東西。」南加州大學(University of Southern California)專門研究量子力學解釋的科學哲學家戴維?華萊士(David Wallace)表示。

例如，2003年，Aharonov和他的同事列弗·瓦伊德曼(Lev Vaidman)設計的雙縫實驗版本，他們使用TSVF解釋了這個實驗。他們描述(注意，並不是建造)了一個光學系統，其中一個光子充當「快門」的角色，這個光子使另一個接近狹縫的「探針」光子按原路反射回去來關閉狹縫。Aharonov和Vaidman指出，通過應用後選擇法來對探測光子進行測量，一個人可以在疊加狀態下識別同時閉合兩個(或任意多個)狹縫的「快門」光子。換句話說，這個思想實驗在理論上可以讓我們自信地說，「快門」光子同時在「這裡」和「那裡」。儘管從我們的日常經驗來看，這種情況似乎是相互矛盾的，但它是量子粒子所謂「非局部」性質的一個被充分研究過的方面，在這個方面，空間中一個明確定義的位置的這個概念不復存在。

2016年，日本京都大學(Kyoto University)的物理學家Ryo Okamoto和Takeuchi Shigeki通過實驗驗證了Aharonov和Vaidman的預測，他們利用一種能攜帶光的線路，利用量子路由器產生「快門」光子，量子路由器是一種允許一個光子控制另一個光子的路徑的設備。Elitzur的同事、安大略渥太華大學的Eliahu Cohen說：「這是一項開創性的實驗，它允許人們同時推斷粒子在兩個地方的即時位置。」現在，Elitzur和Cohen已經與Okamoto和Takeuchi聯手合作，設計了一個更加令人難以置信的實驗。他們相信，在進行任何實際測量之前，這將使研究人員能夠非常有把握地說出在疊加狀態中一系列不同的時間點上，粒子所在的位置。

這次，探測光子路徑將會被部分反射鏡一分為三，沿著這些路徑，它可能會在疊加狀態中與「快門」光子相互作用。這些相互作用可以被認為發生在標記為A、B和C的盒子里，每一個盒子都位於光子的三個可能路徑上。通過觀察探測光子的自身干涉，我們可以肯定地得出結論，在特定的時間，「快門」粒子在某一個給定的盒子里。

該實驗的設計使探測光子只能在特定的時間和地點與「快門」光子相互作用並顯示出干涉現象：即，如果「快門」光子是在t1這一段時間同時出現在A和C盒子中，然後在t2時間段只出現在C盒子中，再接著在t3時間段它又同時出現在了B和C盒子中，那麼探測光子的干涉，將會是「快門」光子在不同時間段的盒子中、在這個奇怪的、有違邏輯序列的脫節表象里做出的一個確切的跡象，Elitzur，Cohen和Aharonov在去年提出了這個想法，單個粒子在三個盒子中傳播。聖何塞州立大學的物理學家肯·沃頓(Ken Wharton)並沒有參與這項新項目，但他說：「我喜歡這篇論文，它用整體的過程而不是瞬時的狀態來構建問題的框架。談論『狀態』其實是一種過時的、普遍存在的偏見，而完整的過程通常要豐富得多而且有趣得多。」

Elitzur和他的同事認為，這種豐富性正是TSVF為我們所提供的。粒子在某一時刻在某一地點的明顯消失，以及它們在其他時間和地點的重新出現，為量子粒子在非局域存在中所涉及的潛在過程提供了一個全新而非凡的觀點。通過TSVF的視角，Elitzur說，這種閃爍的，不斷變化的存在可以理解成為一系列的事件，在這些事件中，一個粒子在一個地方的存在被它在同一個地方的「反粒子」以某種方式「抵消」了。他將這一觀點與英國物理學家保羅?狄拉克(Paul Dirac)在20世紀20年代提出的觀點進行了比較，Dirac認為粒子擁有反粒子，如果粒子和反粒子結合在一起，它們就會相互湮滅。這個設想最初看起來不過只是一種說法，但很快它就導致了反物質的發現。量子粒子的消失不是在這個意義上的「湮滅」，但是在某種程度上這兩種「湮滅」是類似的——這些假設的反粒子，Elitzur假設，應該擁有負能量和負質量，允許它們抵消它們的對應粒子。

因此，儘管傳統的「同時出現在兩個地方」的疊加狀態觀點可能看起來很奇怪，Elitzur說，「但疊加狀態有可能是一些更瘋狂的狀態的集合，量子力學只是告訴了你它們的平均值罷了」。他建議，後選擇的方法允許人們在更大的程度上孤立並檢查其中一些狀態。他說，這樣一種對量子行為的解釋將是「革命性的」——因為它將包含許多迄今為止未曾預料到的真實的(但非常奇怪的)狀態，這些狀態隱藏在違反直覺的量子現象之下。研究人員說，進行實際的實驗需要對他們的量子路由器性能進行微調，但他們希望在三到五個月後，他們的系統就能投入使用。目前，一些外部觀察人士並沒有屏息以待。「這個實驗一定會成功，」Wharton說，但他補充說，「實驗不會說服任何人相信任何事情，因為結果是由標準量子力學預測出來的。」換句話說，與研究人員解釋量子行為的許多其他方式相比，TSVF並沒有特別令人信服的理由去說服人們使用它來解釋實驗結果。

Elitzur同意他們的實驗可以用幾十年前流行的量子力學傳統觀點構思出來，但事實是這樣的事並沒有發生。他問道，「這難道不是TSVF可靠性的一個良好指標嗎?」如果有人認為他們可以用標準量子力學來描述這個實驗「到底發生了什麼」，他補充說，「那好啊，儘管讓他們來描述!」

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