两只“量子柴郡猫”交换微笑

古典世界中的物体有各种属性，如质量、体积等。直觉告诉我们，一个物体的本体与它的属性是不可分的，但在量子世界中情况是不同的。2013年的理论研究表明微观粒子的物理性质(如电子电荷和自旋、光子极化等。)可以从它们的本体中分离出来，亚克阿哈诺夫等人称之为“量子柴郡猫”。柴郡猫是童话《爱丽丝梦游仙境》中一只咧着嘴笑的猫。它的(本体)可以凭空消失，但它的笑脸(属性)仍然悬在空中。

中国科技大学完成的最新研究结果表明，在量子世界中，物质与其物理性质之间有着更加灵活的关系。“量子柴郡猫”的属性不仅可以从它的本体中剥离，甚至可以被另一只“柴郡猫”捕捉到。这项研究将加深人们对“什么是物理实在”这一基本物理问题的理解。

新型测量手段

为了揭示“量子柴郡猫”的笑脸交流，中国科技大学的研究团队采用了一种称为量子弱测量的技术。之所以称之为弱测量，是与标准量子力学中的强测量有关。众所周知，当描述微观量子系统的波函数被强有力地测量时，系统波函数将随机坍缩成测量算符的本征态，这将不可避免地破坏量子系统的状态。例如，使用分析器来识别光子的偏振状态可以最终确定光子的偏振方向，但是同时完全破坏初始状态，除非光子在开始时处于分析器的固有方向。这一过程之所以被称为强测量，是因为在测量过程中需要完成被测子系统和测量探头之间的耦合，这种耦合非常强，可以将系统和探头完全缠绕在一起。

在量子弱测量中，考虑了另一种情况，即系统和探针之间的相互作用很弱，不会破坏系统的量子态，耦合后系统可以继续演化，弱测量耦合不会提供关于系统状态的有用信息。这个概念是量子力学中的一个老话题，自从亚克阿哈诺夫、阿尔伯特和维德曼在1988年提出弱值概念以来，这个概念就受到了广泛的关注。就像量子强度测量中定义的可观测性期望值一样，可观测性的弱值是在选择前状态和选择后状态中定义的，这两种状态都是由二者决定的。AAV在最初的文章中指出，弱值不再是可观察到的特征值，而是可以远远超出特征值的范围，甚至取复值。

虽然弱值的概念引起了广泛的争议，但它已经在量子信息技术中得到了广泛的应用。例如，2013年，中国科技大学的研究团队实现了基于弱值的阿秒级高精度时延测量，最近实现了纠缠系统波函数的直接表征。由于弱测量对系统状态的破坏可以被最小化，该技术也被广泛应用于探索量子力学的基本问题，如测量微观粒子的玻姆轨道和观察杨氏双缝中的非局域动量转移。

本体和属性的分离

在最初的版本中，阿哈诺夫等人认为光子是“量子柴郡猫”，光子的自旋(偏振)是他们的笑脸。简化示意图如下所示，包括分束器、反射器和检测器。整个系统由一个马赫-曾德尔干涉仪组成，其中光子可以在通过分束器后选择上下路径。通过对光子进行两种所谓的弱测量，可以揭示光子本体及其属性之间的分离，其中一种测量光子本体的位置(可以用路径可观测性来表示)，另一种测量光子本体的自旋状态，即柴郡猫笑脸的位置(可以用条件自旋可观测性来表示)，测量结果用弱值来描述。当路径的可观察性的弱值为1时，表示光子本体出现在对应的路径中，当值为0时，表示光子本体不在对应的路径中；类似地，条件自旋可观测性的弱值是1/0，这表明光子的自旋出现/不出现在相应的路径中。

图1。“量子柴郡猫”示意图。阿哈洛诺夫等人发现，《爱丽丝梦游仙境》中柴郡猫和它的笑脸的分离可以通过巧妙地设置适当的前后选择状态来证明。具体来说，在马赫-曾德尔干涉仪的上光路中，光路的弱测量和条件自旋观测分别给出了相应的弱值0和1，也就是说，光路中有一张没有猫的笑脸。因此，在下行路径中通过弱测量获得的弱值分别是1和0，即，没有笑脸的猫出现在下行路径中。简而言之，“量子柴郡猫”在干涉仪中与其笑脸分离。

“量子柴郡猫”概念提出后不久，奥地利维也纳科技大学的实验物理学家用中子做了一个实验演示。在中子干涉仪中，通过施加磁场来精确控制自旋和轨道的量子态，从而实现预选态的准备和后选操作。弱测量应用于干涉仪的两臂，以获得所需的中子路径和条件自旋的弱值。实验结果，正如阿哈洛诺夫等人在干涉仪中预测的那样，中子的自旋总是出现在与其身体位置相反的另一个臂上。然后，美国波特兰大学的实验物理学家利用自发参量下转换产生的可预测的单光子进行了类似的实验，也看到了“量子柴郡猫”现象。

引起争议

先前的实验表明，有质量的中子和没有质量的光子都可以显示这种非理性但真实的量子现象。然而，使用光子的实验是有争议的，因为这种现象也可以在基于经典光的干涉仪中观察到，并且这种实验可以用描述电磁波的经典波理论来解释。因此，“量子柴郡猫”属于量子世界的程度需要得到证实。

另一方面，尽管现有的实验表明微观粒子可以从历史上的本体和属性中分离出来，但它们最终还是会聚合在一起。既然物理属性可以从它们的本体中分离出来，下面的问题自然会出现：物理对象能携带不属于它们的物理属性吗？

因此，进行更复杂的实验来进一步论证“量子柴郡猫”的独特量子效应，如实现涉及多个“量子柴郡猫”的神秘笑脸的交换，可以正面回答这两个争议，对于理解量子系统与经典系统的本质区别具有重要的物理意义。

笑脸的无接触交换

近日，中国科学技术大学郭广灿院士李传峰、许进士、许萧也等与南开大学陈景岭教授合作，在光子极化与本体分离的基础上，进一步实现了双光子极化的无接触交换，揭示了“量子柴郡猫”的独特量子特性。该结果发表在《自然通讯》上，标题是量子象棋猫之间的实验性笑容交换。

然而，观察“量子柴郡猫”的笑脸交换并不容易，这涉及到多体量子系统弱值提取的难题。提取弱值的常见方法是引入辅助探针。当系统扩大时，所需的耦合过程将变得越来越复杂。为了实现光子偏振的无接触交换，必须涉及许多“量子柴郡猫”，并且在系统中引入额外的探针将面临技术挑战。

李传峰的研究小组首先发现，通过对系统施加扰动，可以绕过传统的弱测量方法，利用系统的检测概率和扰动强度之间的内在关系，可以直接得到所需的弱值。有趣的是，获得弱值所需的扰动形式与数学中的虚数概念密切相关。在量子力学中，封闭系统的演化遵循薛定谔方程，时间是演化的一个参数。如果将演化时间视为一个绝对值较小的虚数，相应的扰动将使系统不再封闭，但这种演化只能将光子最终被测量的概率与演化时间联系起来，并在它们之间建立线性关系。这个线性模型的斜率只是给出了一个弱值。这种扰动被称为虚拟时间进化。

在实验中，研究小组首先通过自发参量下转换制备了没有经典描述的双光子超纠缠态。在这种状态下，两个光子的偏振态和路径自由度分别处于最大纠缠态，而两个维度处于未连接的直积态。此外，通过在一些路径上应用自旋操作，双光子被准备成特定的图形状态，并且预选状态的准备被完成。然后在光路中引入虚拟时间演化，实现对光子路径和自旋的弱测量。最后，执行称为联合贝尔状态测量的操作来完成系统的后选择。通过分析不同扰动类型和演化时间下的光子探测效率，可以进一步得到光子路径和偏振可观测性的弱值。这些弱值表明实验中的两个光子都表现出了本体和属性分离的“量子柴郡猫”现象。更重要的是，最终，每只量子柴郡猫将捕获另一只猫的极化特性。这种新捕获的偏振取代了光子的原始偏振特性，并在光子最终进入检测器时被检测到，最终实现光子本身和其初始时刻携带的自旋特性之间的永久分离。

研究结果揭示了量子世界中物质及其性质之间的灵活关系，对于探索微观粒子的性质在被测量之前是否真实具有启发意义，并将对量子力学基础问题的研究起到重要的推动作用。另一方面，它将成为解决量子科学中其他问题的有力工具，通过引入微扰来获得弱值，从而避免了传统方法中额外辅助探针的需要。