一项新的实验暗示了量子叠加令人惊讶的隐藏机制
这是量子力学中的核心问题，没有人知道答案：叠加中真的发生了什么 - 粒子似乎同时存在两个或更多的地方或状态中的特殊情况？现在，以色列和日本的一组研究人员提出了一个实验，最终可以让我们对这种令人迷惑的现象的性质一窥究竟。
研究人员说，他们的实验可能会在几个月内完成，科学家可以窥视一个物体的位置 - 在这种情况下，称为光子的光粒子实际上位于叠加的位置。研究人员预测，答案会比“同时出现在两个地方”更加陌生，更令人震惊。
叠加的经典例子涉及在屏障中的两个平行狭缝处发射光子。量子力学的一个基本理论是，微小的粒子可以表现得像波一样，所以穿过一个狭缝的粒子会与穿过另一个狭缝的粒子发生“干涉”，他们的波浪起伏或者相互促进或者抵消，以在检测器屏幕上形成条纹图案。奇怪的是，即使一次只有一个粒子被发射，这种干扰也会发生。粒子似乎以某种方式同时穿过两个缝隙，干扰自身。这是一个叠加。
它会变得越来越怪异：测量这样一个粒子经过哪个狭缝将表明它只能经过一个裂缝 - 但是波的干涉却消失了。测量的行为似乎会“塌缩”叠加。以色列高级研究所的物理学家Avshalom Elitzur说：“我们知道有什么东西会发生叠加。”但你却不能测量它—一测量，叠加态就消失了。这就是量子力学如此诡异的原因。“
数十年来，研究人员在这种明显的僵局中陷入停滞。如果不仔细观察，他们不能确切地说出叠加的结果;但如果他们试图看它，它就会消失。由Elitzur的前导师，现在在查普曼大学的以色列物理学家Yakir Aharonov和他的合作者开发的一种可能的解决方案 - 提出了一种在测量量子粒子之前推导出一些关于量子粒子的方法。阿哈罗诺夫的方法被称为量子力学的双状态矢量形式（TSVF），并且假设量子事件在某种程度上由量子态决定，不仅在过去 - 而且在未来。也就是说，TSVF假设量子力学在时间上向前和向后都是一样的。从这个角度来看，原因似乎可以在时间向后传播，发生在他们的影响之后。
但是，不需要从字面上理解这个奇怪的概念。相反，在TSVF中，人们可以通过选择结果获得量子系统中发生的事情的回顾性知识：研究人员不是简单地测量粒子最终位置，而是选择一个特定的位置来寻找它。这被称为后选择，它提供了比任何无条件寻找的预见结果更多的信息。这是因为粒子在任何时刻的状态都是根据其整个历史进行回顾性的评估，包括测量在内。这种奇怪的现象是因为研究者仅仅是通过选择特定的结果然后导致结果发生。这有点像如果当你你打开你的电视机想看你最喜欢的节目时，你的动作会导致该节目在那个时刻播出。“人们普遍认为TSVF在数学上等同于标准量子力学，”南加州大学科学哲学家，专门研究量子力学解释的David Wallace说。“但它确实导致了某些人看不到的东西。”
举个例子，Aharonov和同事Lev Vaidman在2003年设计的双缝实验版本，他们用TSVF解释。这对人员描述了（但并未建立）一个光学系统，其中一个光子充当一个“快门”，通过使另一个“探测”光子接近狭缝以反射回它的方式来闭合狭缝。Aharonov和Vaidman表明，通过对探测光子的测量值进行选择后，可以同时识别两个（或者甚至是任意多个）狭缝的叠加快门光子。换句话说，这个实验理论上可以让人们充满信心地说快门光子同时“在这里”和“在那里”。虽然这种情况在我们的日常经验中似乎有点矛盾，但它是量子粒子的所谓“非局部”性质的一个研究得很好的方面，其中空间位置明确的整体概念消失。
在2016年，物理学家冈冈亮和京都大学的藤重茂等人验证了Aharonov和Vaidman的预言，实验使用了一个使用量子路由器创建快门光子的携带光子的电路，该器件可以让一个光子控制另一个光子所走的路线。“这是一个开创性的实验，它允许人们推断出两个地方同时出现的粒子位置，”Elitzur的同事安大略省渥太华大学的Eliahu Cohen说。
现在，Elitzur和Cohen与冈本和竹内合作制作了一个更令人难以置信的实验。他们相信这将使研究人员能够确定地说出在一系列不同的时间点上叠加粒子的位置 - 在进行任何实际测量之前。
这次探测器光子的路线将被部分反射镜分成三部分。沿着这些路径中的每一条，它都可以与叠加中的快门光子相互作用。这些相互作用可以被认为发生在标记为A，B和C的框内，其中一个位于光子的三条可能路线中的每一条。通过观察探测器光子的自干扰，人们可以可靠地回顾性地断定快门粒子在特定时间在给定盒子中。
该实验的设计使探测光子只能在特定时间和顺序的地点与快门光子相互作用时才会产生干扰：即，如果快门光子在某个时间（t1）处于A盒和C盒中，则（t2）仅在C中，并且在B和C中的更晚的时间（t3）。因此，探测光子中的干扰将是快门光子的明确标志，使得这种奇怪的逻辑违抗序列在不同的时间在不同的箱子中出现脱节的表象 —Elitzur，Cohen和Aharonov提出了一种可能性：单个粒子分布在三个盒子里。圣何塞州立大学的物理学家肯·沃顿说，“我喜欢这篇论文的方式：回答关于整个历史发生的事情而不是瞬时状态的问题，”没有参与新项目的圣何塞州立大学的物理学家肯沃顿说。“谈论'国家'是一个古老的普遍偏见，而完整的历史通常更加丰富和有趣。”
Elitzur和他的同事们认为，这种丰富性是TSVF可以接触到的。一次一个地方的粒子明显消失 - 以及它们在其他时间和地点的再现 - 表明了量子粒子非局域存在所涉及的基本过程的一种新的非凡视角。Elitzur说，通过TSVF的镜头，这种不断变化的瞬息万变的存在可以被理解为一系列的事件，其中一个地方的某个粒子的存在以某种方式被它自己的“相对物”在同一地点“取消”。他将这与英国物理学家保罗·迪拉克在20年代提出的认为粒子具有反粒子的概念相比较，如果将它们放在一起，粒子和反粒子可以相互湮灭。这张照片起初似乎只是一种说法，但很快导致了反物质的发现。量子粒子的消失在这个意义上并不是“湮灭”，但它有点类似 - 这些假定的相对论者，Elitzur假定，应该拥有负能量和负质量，允许他们取消它们的对应物。
因此，虽然传统的“两地同时”叠加观点可能看起来很古怪，但“可能叠加是一个更疯狂的状态集合，”Elitzur说。“量子力学只是告诉你他们的平均值。”他认为，选择后就可以让更多的分辨率分离和检查其中一些状态。他说，对量子行为的这种解释是“革命性的”，因为它会带来一个迄今为止没有想到的真正（但非常诡异）的动力学虚构的国度，它们是违反直觉的量子现象的基础。
研究人员表示，进行实际实验需要对其量子路由器的性能进行微调，但他们希望让他们的系统能够在三到五个月内推出。 “实验必然奏效，”沃顿说，“但是他补充道，”由于标准量子力学预测结果，所以“不会说服任何人。”换句话说，没有令人信服的理由来解释结果，就TSVF而言，这不是研究人员解释量子行为的许多其他方式之一。
Elitzur同意他们的实验可以用几十年前盛行的量子力学的传统观点来构想 - 但从未有人如此做过。“这不是TSVF的完美表现吗？”他问道。如果有人认为他们可以使用标准的量子力学在这个实验中形成一个不同的“真正发生的事情”的画面，他补充说：“好吧，让他们继续！
閱讀更多 草長禿鷹飛 的文章
