问题

对量子擦除实验两个细节的疑惑?

回答
关于量子擦除实验,您提出的两个细节疑惑,我来试着详细地讲讲,希望能够帮您理清思路。

首先,您可能对“擦除”这个词的理解有些偏差。在量子擦除实验中,“擦除”并不是指真的把已经发生的信息抹去,而是指通过一种巧妙的手段,让原本可以区分的“路径信息”变得无法区分,从而让一些原本因为有了路径信息而表现出的干涉现象消失。反过来说,如果我们能“恢复”路径信息,干涉现象又会重新出现。这就像我们看一场电影,如果知道每个镜头是怎么拍出来的(路径信息),我们就不会觉得整个故事是个奇妙的整体(干涉)。但如果我们故意忽略了这些拍摄细节,只看到最终画面,那么故事的连贯性和情感冲击力就会显现出来。

您提到的第一个疑惑,很可能是关于“为什么在探测器 D0 和 D1 处进行的操作,会影响到早已经通过双缝的那个粒子?” 这确实是量子擦除实验最令人费解的地方,也正是它挑战我们经典直觉的关键。

想象一下,我们有一个光子,它就像一颗颗独立的子弹,射向一个带有双缝的挡板。当光子穿过双缝后,我们通常会在每个缝的后面放置一个探测器,用来记录光子是从左缝还是右缝通过。一旦我们有了这个“哪条路”的信息,比如探测器 A 响了,我们就知道光子走了左边;探测器 B 响了,光子走了右边。有了这个明确的路径信息,即使我们在后面的屏幕上测量,也看不到像水波一样的干涉条纹了,看到的只会在屏幕上形成两个大致的亮带,对应于从左缝和右缝通过的光子各自的概率分布。

量子擦除实验的巧妙之处在于,它并没有直接在双缝处安装探测器。而是让光子先通过双缝,然后它会“分身”成两束,每一束都携带了原始光子通过双缝的信息,并且这两束“分身”的光子是纠缠在一起的。更重要的是,我们可以选择性地对这两束“分身”光子进行处理,而 不干扰 它们最初穿过双缝的过程。

关键在于“擦除”装置。假设我们设计的擦除装置,它会读取(实际上是利用了纠缠的特性)这两束“分身”光子的路径信息。但我们不是把这个路径信息直接显示出来,而是让它以一种“可擦除”的方式存储。例如,我们可以用两种不同的偏振状态来标记从左缝和右缝通过的光子的“分身”。然后,我们引入一个“擦除器”。这个擦除器,实际上就是将这两种不同的偏振状态“混合”在一起,或者说,让它们变得无法区分。

举个例子,假设左缝“分身”是水平偏振,右缝“分身”是垂直偏振。如果我们设计一个半波片,将所有水平偏振的光子旋转90度变成垂直偏振,然后让垂直偏振的光子穿过一个垂直的偏振片。这样一来,无论原始光子是左缝还是右缝,最终穿过垂直偏振片的光子,都变成了垂直偏振。我们无法再从这个最终结果中分辨出它原本是水平还是垂直。这就好像我们把两种颜色的墨水搅在一起,再想知道哪部分是原来哪种颜色,就变得非常困难了。这就是“擦除”的含义——路径信息变得无法区分了。

当路径信息被“擦除”后,奇妙的事情发生了。我们重新在屏幕上收集这些经过擦除装置的光子,就会发现,原本消失的干涉条纹又回来了!这似乎在告诉我们,因为我们“抹去了”光子走哪条路的证据,它就又表现出了波的性质,产生了干涉。

您可能觉得这不可思议,仿佛是“回溯性”影响。但这里并没有违反因果律。要知道,当我们在擦除装置那里“擦除”路径信息时,我们也损失了知道光子到底走了哪条路的“能力”。换句话说,我们得到了干涉条纹,但我们也失去了关于每个光子具体路径的信息。

那么,如果我们在擦除装置那里 不擦除 路径信息呢?假设我们不对那两束“分身”光子做任何处理,而是直接用两个探测器分别探测它们。一个探测器只对水平偏振的光子有反应(对应左缝),另一个探测器只对垂直偏振的光子有反应(对应右缝)。在这种情况下,我们又能知道光子走了哪条路。如果我们记录下,只有当左缝“分身”被探测到时,才计数屏幕上的某个光子,或者只有当右缝“分身”被探测到时,才计数屏幕上的另一个光子,我们就会发现,当我们将所有这些“已知路径”的光子投影到屏幕上时,屏幕上就只会出现两个亮带,而没有干涉条纹。

这就好像我们有两个盒子,一个里面装着猫,一个里面装着狗。如果我们打开第一个盒子,看到了猫,我们就知道第二个盒子肯定是狗。如果我们打开第二个盒子,看到了狗,我们也知道第一个盒子肯定是猫。我们 知道 了它们的关系。但是,在我们打开盒子之前,我们无法确定哪个是猫哪个是狗。

在量子擦除实验中,那个“擦除”的过程,实际上就是我们选择性地“忽略”或“混合”了those entangled photons(那些纠缠的光子)携带的路径信息。关键在于,我们对“分身”光子的测量(或者说,我们选择如何处理它们)发生在“主”光子(也就是射向屏幕的那个)到达屏幕之后。 但是,这种后来的测量,并不能用来改变“主”光子已经发生的那个“选择”(即粒子性或波动性),它只能用来 区分 哪些“主”光子的行为(比如是否属于干涉条纹的一部分)与我们后续对“分身”光子的测量结果是相关的。

您的第二个疑惑,很可能跟这个问题息息相关,那就是关于 “观察者”的作用。很多人会误以为是“观察者的意识”在起作用。但科学的解释是,这里的“观察”指的是 任何形式的测量或信息获取,哪怕是无意识的、自动化的记录。

在量子擦除实验中,我们总共有四个可能的探测结果,取决于我们如何处理那对纠缠的“分身”光子。我们可以在擦除装置那里选择“擦除”(例如,让两种路径信息变得无法区分),也可以选择“不擦除”(即能区分路径信息)。

当我们在擦除装置那里 选择了擦除(比如,用一个探测器来测量它们混合后的某个属性),然后我们再把屏幕上收集到的光子进行分类。我们会发现,只有那些被我们“擦除”了路径信息的“分身”光子所对应的“主”光子,才能组成清晰的干涉条纹。

反过来,当我们 选择了不擦除(比如,用两个不同的探测器分别探测左缝和右缝的“分身”光子),然后我们再把屏幕上收集到的光子进行分类。我们会发现,那些来自左缝“分身”被探测到的“主”光子,单独来看,它们在屏幕上的分布是两个亮带;而那些来自右缝“分身”被探测到的“主”光子,单独来看,它们的分布也是两个亮带。 如果我们将这两种情况下的“主”光子加在一起,它们合起来依然是两个亮带,没有干涉。

这里的关键在于, 我们是事后才根据“分身”光子的测量结果,来挑选屏幕上哪些光子是“干涉”的,哪些光子是“非干涉”的。 屏幕上所有的光子,都包含了“主”光子穿过双缝后叠加的波函数信息。但是,只有当我们对纠缠的“分身”光子做了“擦除”操作,使得它们无法提供关于原始光子路径的信息时,我们才能把它们对应到屏幕上的光子,挑选出来,发现它们形成了干涉条纹。

所以,这不是说哪个“观察者”在看,而是 信息的完整性(能否确定路径) 决定了最终会呈现出粒子性(无干涉)还是波动性(有干涉)的表象。当信息被“擦除”,即信息变得不可追溯时,粒子就表现出了波的“集体行为”——干涉。而当信息被保留,即我们可以知道粒子走了哪条路时,粒子就表现出了它的“个体行为”——只在特定的位置出现。

这就像我们有两个箱子,里面装的是扑克牌。一个箱子里面的牌,都是随机的,你无法预测下一张是什么。另一个箱子里的牌,虽然看起来也是随机的,但你知道,它们都是按照特定的顺序打乱的,只是你无法立即看出来。如果你能通过某种方式,把第二种箱子里的牌的“打乱顺序”信息给抹去,让它看起来就像第一种箱子里的牌一样随机,那么你可能就看不到某些原本规律性的东西了。

总而言之,量子擦除实验并不是说我们可以“操控”过去,而是通过巧妙地利用量子纠缠,让对“分身”粒子(携带路径信息)的处理,能够“选择性地”揭示或隐藏“主”粒子(射向屏幕的那个)的干涉行为。这种“选择”发生在“主”粒子到达屏幕之后,但它 不改变 “主”粒子已经发生的那个叠加态,而是 决定了 我们事后能否从大量数据中“识别”出干涉图案。

网友意见

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答案在2017年1月23日进行重新编辑。

3月2日进行二次修改,改正了圆偏振和线偏振关系的错误表述。

图都自己消失了,是侵权了吗?知乎内部引用已经注明出处也不可以吗?

这个答案写的时候为了说明问题进行了大量引用,使文字变得琐碎,阅读体验很差,有时间整理一下,写一个系列文章。

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首先吐槽一句,物理基础知识不够,要想读懂物理实验的结果,不是一般的难啊!

大概半个月之前我读了@爱小臭 对“为什么我怎么也理解不了波粒二象性,是因为智商不够吗?”的回答,其中介绍了三个实验,第一个是双缝干射实验,第二个是量子擦除实验,第三个是延时擦除实验。

实验一是我早就了解的,实验二和实验三没有读懂。之后查阅了很多关于量子擦除和延时擦除的介绍,实验三基本弄懂了,可是实验二始终没有弄懂,思考过程中在知乎提了好几个关于这个实验的问题,都没有人能给出满意的解答。然后我开始怀疑这个实验是不是错了?因为根据实验的描述很容易可以推断能够实现超光速通讯,而超光速通讯已经是被明确否定的东西了。

后来@Sun AO@Ivony 两位老师回应了我的求助,Ivony老师也认为应该是实验本身有问题。再后来,我查到了相干光源需要满足的条件:

1、频率相同。2、偏振方向相同。3、相位差恒定。

问题迎刃而解!关键在于第二条,偏振方向相同,爱小臭的实验二不满足这个条件。

下面详细解读一下,首先让我们来看一下正确的量子擦除实验是怎么操作的:

(以下内容引自百度百科量子擦除实验条目)

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实验分三个阶段。
第一阶段,使用非线性BBO晶体产生纠缠光子对。自光子对产生起,它们就具有不同偏振态,沿不同方向传播。沿下路径传播的光子会遇到双缝,使用灵敏的探测器可以扫出这些光子的干涉图样。(答主注释:光路中粉红色元件是两个偏振片,一个水平,一个垂直。)
第二阶段,在下路径上插入四分之一波长片。这样任何通过缝A的光子将会被改变为顺时针或逆时针的圆偏振,任何通过缝B的光子具有相反方向的圆偏振。当探测设备在先前的移动范围内重新扫过,可以发现探测结果不再相同 - 干涉条纹消失 - 即,任何标记了光子路径的行为都会破坏干涉条纹。
第三阶段,下路径不作变动,将一个起偏器插入到上路径,使得任何通过下路径的纠缠光子对的偏振方向也受到影响。因为上路径的光子的偏振方向发生变化,下路径光子的偏振状态也会改变。通过对上路径上起偏器选择合适的偏振角,令下路径上刚好有一半的光子具有相同的偏振方向。一旦它们有相同的偏振态,它们可以再次彼此干涉,或者从另一个角度来看,已经没有标记指明哪个通过缝A,哪个通过缝B。

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这个介绍起初我也没有看明白,后来看了百度贴吧里的一个帖子,我才恍然大悟!


(以下内容引自百度贴吧“请教关于量子擦除的一个问题”贴中黑体辐射的回复)

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请教关于量子擦除的一个问题_量子力学吧_百度贴吧 百度百科里面还需要下面的补充才清楚: 首先探测器是单光子探测器,上下支路都是;由于纠缠光子对是同时产生,所以必须上面和下面同时测到单光子事件,才算一个事件被记录下来;如果不是同时测到就不算,不做记录。这点很重要,下面要用到。由于是单光子探测器,它必须在不同的位置测,把不同位置记录的事件都画下来,就形成了干涉图。 现在看百度百科里的第三步,“通过对上路径上起偏器选择合适的偏振角,令下路径上刚好有一半的光子具有相同的偏振方向。”这句话的意思是,上路径上起偏器选择合适的偏振角后,有一半的光子事件没有被记录,因为他们没有通过这个偏振片;有一半的光子被记录,因为他们通过了这个偏振片。这一半被记录的光子形成了干涉图;其实没被记录的那一半光子也形成干涉图,只是这两个干涉图叠加在一起的时候,由于波峰波谷相互抵消,就没有干涉图了!所以,所谓上支路影响下支路,只是说上支路滤出某些光子,这些光子对应的下支路光子会形成干涉图,如此而已。

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实验原理是这样的,非线性BBO晶体可以使一个高能光子分裂为两个频率为原光子1/2的低能光子,这两个低能光子偏振方向互相垂直,但具体哪个光子走上光路,哪一个光子走下光路是随机的,这就是为什么要在每个光路上都设置一个偏振片,目的是让上光路的光子都是水平偏振,下光路的光子都是垂直偏振,只有这样才能产生干涉条纹。

第二阶段,在下光路双缝后面插入两个四分之一波长片,这里百度百科的表述出现了问题,应该是任何通过缝A的光子将会被改变为顺时针圆偏振,任何通过缝B的光子将会被改变为逆时针圆偏振,不会有相反的情况,因为由于偏振片的存在所有下光路的光子在通过双缝之前都是垂直偏振的,现在你该知道为什么干涉条纹消失了吧?因为通过双缝后光子的偏振方向不一致了,不能满足发生干涉的条件,干涉条纹自然就消失了。

第三阶段,百度贴吧里的解释已经很清楚了,但对我们这样的物理小白可能还是会造成迷惑,下光路的光子都是垂直偏振的,即使滤掉一半还是垂直偏振的,通过双缝以后偏振态被改变,为什么又能相同了呢?这里需要指出一个常识,圆偏振可以看做两个方向线偏振的叠加,所以对于处于不同圆偏振态的两个单光子有一定概率处于相同的线偏振态。

搞明白了百度百科的实验,对于爱小臭的实验理解起来就不那么困难了,下面我们来看看他的实验。

(以下内容引自爱小臭老师对“为什么我怎么也理解不了波粒二象性,是因为智商不够吗?”问题的回答中的实验二)

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带上3D眼镜后,光子通过眼镜的偏振性改变了,但是并不会改变试验结果的干涉条纹: 下面就是真正让你脑子烧糊的部分啦! 假如我们打开M1:M1测量光子A的偏振性。由于A与B处于纠缠态,他们其实是一个垂直一个水平,当光子B通过一个偏振片之后,偏振性就改变了。这个时候就与纠缠态,A的状态也会改变,测量A,我们就能知道光子B“到底”是通过了两个缝中的哪一条。这时候,惊人的结果发生了。只要打开M1,干涉条纹就消失了,挡板上的光子痕迹变成了两坨。而关闭M1,干涉条纹就又回来了。

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这个实验没有画出完整的光路图,而且自始至终没有用到到起偏器,那么光子B的偏振态是随机的,忽而水平,忽而垂直,那么这个实验装置能够得到干涉条纹吗?答案是:不能!无论插不插入四分之一波长片,都没有条纹!没有条纹!没有条纹!不论打不打开M1,都没有条纹!没有条纹!没有条纹!


看,我们所担心的超光速问题不会出现,就是这么简单!


仅仅是因为对形成干涉的基本条件不够了解,造成了我们对实验结果的困惑,这个对于专业物理人员根本就是常识性的东西,阻止了我们深入了解量子力学。科普人员认为这是常识,人人都懂,可是我们不懂,这就造成了专业人员和普通人的交流障碍。


再来看实验三

(以下内容引自爱小臭老师对“为什么我怎么也理解不了波粒二象性,是因为智商不够吗?”问题的回答)

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这个试验来自Kim博士2000年发表的一篇论文: Phys. Rev. Lett. 84, 1 (2000) 延时量子擦除试验,它甚至让我们对“因果关系”产生了怀疑。
上面的图是试验台,下面的解释很重要。一定要搞清试验台是如何运作的。
1. 一道激光通过双缝版,打到BBO上,形成了两对纠缠态的光子;红色的光路表示光子通过了上面一道缝(缝A),蓝色的光路代表光子通过了下面一道缝(缝B)。请注意,光子的波长是完全一样的!不同的颜色只是为了逻辑的区分它们通过了哪一道缝;
2. D0的角色是上一个试验中最后观测挡板的角色,D1~D4是感光元件,图中的光路,从BBO至D1、D2、D3、D4的距离是完全一样的。是BBO到D0的两倍;
3. 如果没有D1~D4所有的设备,那么参考上一个试验,我们没办法知道某一个光子是通过红色光路到达D0、或是通过蓝色光路到达D0,光在D0上,形成了干涉的条纹;
4. BSa,BSb,BSc是三面半银透镜,它有50%的几率使得光子透过,50%的记录使得光子反射。红色光子的纠缠兄弟,有50%的几率击中D4,25%的几率击中D1,25%的几率击中D2;蓝色光子的纠缠兄弟,有50%的几率击中D3,25%的几率击中D1,25%的几率击中D2;
5. 情况A. 假如D4感光,那么我们就明确的知道,它的红色纠缠兄弟击中D0;假如D3感光,那么我们就明确的知道,它的蓝色纠缠兄弟击中D0。如此,我们就知道了D0上面每一个光子是通过哪条缝的了!这个时候,D0上的干涉条纹退化了,变成了两坨光印!
6. 情况B. 假如D1或者D2感光,那么我们还是不可能知道D0上光子的光路情况,观测信息相当于被擦除了。干涉条纹就被复原了!
7. 注意这个试验很重要的一个暗示:D1D2感光和D3D4感光唯一的区别是,通过光路知识,我们能提取光子信息。没有观测者,没有观测意识,仅仅是知识本身,仅仅使我们可能知道的潜能,就导致了混合状态的坍缩;
8. 最最重要的一点,所有D1~D4的感光信息的产生,都是发生在D0感光之后的!!仿佛光子预知了未来,决定了自己在通过双缝之前是否坍缩。

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第3条,光在D0上形成了干涉条纹,这一点是错的,激光发生器所产生的激光是单光子的,我们并不能直接从D0上面看到干涉条纹,我们需要对一个一个的点进行筛选,R1R2R3R4这四张图,对应于所收集的点是哪个感光器感光的同时所收集到的,如果我们不进行筛选,任由每个点都留在M0上,那我们得到的还是两坨光印。

什么预知未来,什么因果颠倒,仅仅是按照一定规律筛选,把能形成干涉条纹的光子筛选出来而已。

看吧,这么一讲是不是感觉没有什么神奇的地方?实验才是王道,细节决定认知,搞不清楚细节只会让我们越来越糊涂。

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