什么是量子擦除實驗？瑪麗亞·維奧拉里斯（Maria Violaris）研究了看似矛盾的延遲選擇量子擦除實驗，并為《物理世界》量子特刊撰寫了該文章。本文由該文章編譯而成。

▲（圖片提供：Mayank Shreshtha）

“歡迎閱讀本期紀念量子力學誕生200周年的《物理世界》特刊。在這個雙量子版本中，文章是用量子比特存儲的。當您開始閱讀，便將字母投射到一個固定狀態，信息被復制到您的腦海中形成正在閱讀的這篇文章。實際上，這些文字是多篇文章的疊加態，但最終，只有一篇會‘坍縮’進您的腦海。希望您喜歡讀到的這篇。

這是我設想的2125年《物理世界》量子特刊的開場白，那時候，成熟的量子計算機已遍地開花，我們甚至可以控制屏幕上每一個量子比特的狀態。如果你有幸讀到這樣一本雜志，可能會感到有點遺憾——你只能讀到疊加態中坍縮出來的一篇文章。為什么會這樣？因為你讀文章的過程中，會把信息拷貝進你的大腦，從而讓文字“退相干”——即從多個可能狀態中固定下來。那有沒有辦法“回頭”看看別的版本？畢竟，多讀幾篇《物理世界》的文章總沒壞處。

一個或許可行的解決方案是：如果你能“擦除”對那篇文章的記憶，或許就能讓文字恢復相干狀態。一旦沒有了識別哪篇文章被讀過的信息，就沒有理由讓它保持退相干并固定成單一狀態。你可以重新開始閱讀另一個版本的文章。

聽起來很奇幻吧！其實，這個思維實驗與量子力學中一個經典實驗高度相關——延遲選擇量子擦除實驗。這是著名的雙縫實驗的一個顛覆常識的變體實驗，常被解讀為“未來的測量影響了過去的事件”。可是即便在奇異的量子世界，這種悖論性的說法真的成立嗎？

1

雙縫實驗與它的兩個變體

在經典的雙縫實驗中，光子逐個地通過兩個狹縫，最后在屏幕上形成波形干涉條紋，標志著光的波動性。然而，如果我們在狹縫處放置探測器，檢測光子走了哪條路徑，干涉條紋就會消失，屏幕上只剩下兩個分離的光斑，說明光子表現出的是粒子性。這里的關鍵在于：獲取光子走哪條路徑的信息會改變光子的量子態，從波形的干涉圖樣轉變為粒子狀的光斑。

這個思想實驗的第一個“反轉”，來自物理學家約翰·惠勒（John Wheeler）1978年提出的設想，以及他后來與沃伊切赫·祖雷克（Wojciech Zurek）在1983年的合作研究。他提出一個“延遲選擇”版本：不是在光子穿過狹縫時立即測量，而是等它幾乎到達屏幕前才決定是否測量其路徑。有趣的是，即使延遲光子路徑的探測，探測行為依然決定了它是表現出波動性行為還是粒子性行為。換句話說，即使在光子通過狹縫很久之后才進行的探測，也決定了該光子是否會發生自我干涉。

如果這還不夠奇怪，那么延遲選擇量子擦除實驗就更進一步。這一方案最早由美國物理學家馬蘭·斯卡利（Marlan Scully）和凱·德呂爾（Kai Drühl）于1982年提出，并在2000年由金允浩（Yoon-Ho Kim）等人通過實驗實現。這個變體問題的第二個“反轉”在于：既然獲得路徑信息會導致干涉圖樣消失，那么如果我們把這個信息“擦除”會怎么樣？ 想象把探測器縮小成單個量子比特，讓它與光子糾纏：光子穿過“左”縫對應量子比特為0，“右”縫對應為1。我們不直接測量這個量子比特是0還是1（那樣就得知路徑了），而是換一種互補的方式測量它，將0和1隨機化（從而擦除了路徑信息）。

▲1：延遲探測、路徑揭示和互補測量。此插圖類比3D眼鏡，展示了量子擦除如何在雙縫實驗中恢復光子的波動性行為。左上角的方框展示了標準雙縫實驗裝置。由于狹縫處沒有探測器測量光子的路徑，屏幕上出現了干涉圖樣。在方框1中，每個狹縫處都有探測器，測量光子通過了哪個狹縫，干涉圖樣被破壞。方框2和3顯示，通過擦除“路徑”信息，干涉圖樣得以恢復。這是通過使用擦除（此處用3D眼鏡的紅色濾光片和藍色濾光片表示）分離光子來實現的。最后的方框4顯示，使用擦除后的整體圖樣沒有干涉，與方框1中看到的圖樣相同。在方框2、3和4中，一個探測器量子比特測量“路徑”信息，狀態|0>代表左縫，|1>代表右縫。這些是“布洛赫球”（一種量子比特的抽象表示）z軸上的點。隨后，擦除器沿布洛赫球的x軸對探測器量子比特進行互補測量。這消除了“路徑信息”，但揭示了用于篩選結果的紅藍鏡片信息，如3D眼鏡圖像所示。（圖片提供：Mayank Shreshtha）

令人驚訝的是，雖然屏幕上整體看來還是兩個模糊的亮斑（如圖4所示），但如果我們按照量子比特測量得到的不同結果，對光子在屏幕上的落點進行分類，再分別畫出圖樣，那么這兩個分類圖像各自都會顯現出明暗相間的干涉條紋（如圖2和圖3各自所示）。也就是說，被“擦除”的路徑信息居然又讓波動性重新顯現了出來！

我喜歡用一副3D眼鏡來幫助理解這個實驗。3D眼鏡有兩個鏡片，一個紅色鏡片、一個藍色鏡片，戴上之后你能看到兩個不同的圖像。這就像在量子橡皮擦實驗中，那兩個分開的干涉圖樣。而如果你摘下眼鏡，看到的就是這兩個圖像的疊加結果，而在這個量子橡皮擦實驗里，這個疊加圖樣就是完全“退相干”的畫面，即不再有干涉條紋的痕跡。現在，如果你能對探測器做互補測量，就好像你得到了那副3D眼鏡，通過單獨的左眼鏡或者右眼鏡可以將原本看不清的畫面，重新分離出兩個干涉圖樣。

2

這是否改寫了過去？

如果能通過“擦除”探測器信息恢復干涉圖樣，那豈不是就意味著改寫了光子原本已經“坍縮”的粒子行為？這確實令人困惑。但紐卡斯爾大學的物理學家容特·漢斯（Jonte Hance）強調了一個不同的結論。他指出，雖然我們能在分離后的圖樣中看到干涉，但合起來時仍是無干涉的疊加圖像。這意味著，真正神奇的地方在于“糾纏”引發的豐富、反直覺的量子關聯——而并非時間回溯。

事實上，惠勒本人也不認為這個實驗意味著過去可以被改變。葡萄牙國際伊比利亞納米技術實驗室的洛倫佐·卡塔尼（Lorenzo Catani）指出：“惠勒的結論是，我們必須放棄某種實在論——也就是過去獨立存在于我們觀察之外的信念。據我所知，只有少數研究者將該實驗解釋為回溯因果性的證據。”

3

擦除 vs 貝爾：誰更奇怪？

奧地利因斯布魯克大學的約翰內斯·范克豪澤（Johannes Fankhauser）是試圖解開這個謎題的物理學家之一。“我聽說了量子擦除，那些關于時間回溯影響的詭異說法讓我非常困惑，”他解釋道。“我碰到一些聽起來反直覺、神奇的東西，就想理解它，理解之后，它就有點不那么神秘了。”

范克豪澤意識到，量子擦除的實驗裝置其實可以等效地轉換為一個非常標準的貝爾實驗——用來檢驗隱變量理論的經典實驗。這意味著，量子擦除中奇特的相關性，其實并不需要時間回溯來解釋，因為貝爾實驗沒有這一理論也能被理解。他進一步用德布羅意-玻姆理論來分析這個實驗，并明確得出結論：完全可以用經典的“導波”模型來解釋擦除實驗，無需借助時間回溯的解釋。

那么，這是否意味著擦除實驗沒有告訴我們任何超出貝爾實驗的信息？不盡然。范克豪澤認為，它提出了非常深刻的問題：到底什么叫“測量”？系統到底什么時候才算有了一個確定屬性？這些問題我們還沒有完全理解。

擦除實驗展示了觀察行為本身對結果的重要性，在實驗中，探測器扮演了觀察者的角色。“你測量它的一些屬性，就改變了另一個屬性，”范克豪澤說。“所以下次你測量它時，新屬性是通過觀測產生的。我現在正試圖更具體地形式化這一點。我正嘗試提出一種新的方法和框架來研究這些問題。”

與此同時，卡塔尼在研究中發現了貝爾實驗與擦除實驗之間一個神奇的對比。“貝爾定理的含義要深遠得多，”卡塔尼說。他發現，如果給經典物理模型加入對信息訪問的限制，量子擦除實驗的結果是可以模擬的。但貝爾實驗則不能。這說明，貝爾實驗相對經典物理的偏離更為徹底。卡塔尼還對比了兩者的數學嚴謹性，貝爾理論背后有嚴格的數學假設，而量子擦除之所以產生悖論，更多是源于我們對其敘述方式的誤解。

4

既是思維實驗，也是啟發工具

物理學家普遍認為，量子擦除思維實驗的數學完全符合標準量子理論。但容特·漢斯指出，數學上的一致性不等于我們已經真正理解了這些現象的物理含義。漢斯一直在分析該思維實驗中不同假設的物理含義，在他2021年的一篇預印本論文中，他與與合作者探討了量子擦除悖論。

量子擦除成了我們理解量子關聯獨特匹配方式的工具——這種方式是經典物理學無法描述的。“它是一種出色的思維工具，既啟發了思維，又能揭示量子世界的奇異本質。”

5

信息、觀測者與量子計算機

不同的物理學家從量子擦除中看到不同的意義：有的看到它對測量屬性提出的挑戰，有的從數學嚴謹性中獲得啟發，也有人將其看作需要解讀的反直覺謎題。對于少數偏離量子理論標準方法的人來說，是時間回溯影響下的某種形式。

對我而言，正如我在YouTube視頻和2023年的一篇論文中所講，量子擦除最重要的意義是：它揭示了觀察者的角色究竟意味著什么。量子擦除強調，只要兩個量子比特糾纏過一次，即便之后不測量，系統也會退相干。這說明，宏觀“觀察者”并非必要。這也解釋了為什么建造量子計算機如此困難：哪怕只是和一個粒子發生非預期的糾纏，都可能讓整個計算系統坍縮成隨機態。

那么，我們這本200年雙量子特刊的未來讀者們該怎么辦呢？簡單地擦除他們的記憶并不足以恢復文章的量子行為。改變哪篇文章被選中為時已晚。不過，依照量子擦除原理，我們的未來主義者或許能比那些‘心思縝密’的雜志編輯做得更好：他們可以利用互補測量結果，把一篇文章“分揀”成兩個版本——每一個都展示了被隱藏的量子結構。所以，量子擦除雖然無法改變過去，但它也許可以幫你重寫未來會看到什么。

原文鏈接：https://physicsworld.com/a/the-quantum-eraser-doesnt-rewrite-the-past-it-rewrites-observers/

作者介紹：瑪麗亞·維奧拉里斯（Maria Violaris） 是一位量子物理學家、科學傳播者和內容創作者；牛津大學量子信息科學基礎博士，并曾是《物理世界》的博士生撰稿人。

編譯：程歡

審核：郭彥良