讓我們聚焦于那些“怪異”的量子效應——在它們面前，量子疊加與量子糾纏都顯得近乎尋常。尤利婭?喬治斯庫（Iulia Georgescu）深入兔子洞般的科學秘境，帶我們揭開量子柴郡貓的神秘面紗。

▲圖片來源：Shutterstock/aleksandr polle

大多數人都聽過薛定諤的貓，但量子物理的“動物園”里并非只有這一只貓科動物。量子柴郡貓或許不那么廣為人知，但其行為卻更顛覆我們經典世界的常識。

這些量子貓咪得名于劉易斯·卡羅爾（Lewis Carroll）所著《愛麗絲夢游仙境》中的柴郡貓形象——它消失后僅留下笑容。正如愛麗絲驚嘆：“我見過許多沒有笑容的貓，卻從未見過脫離貓而存在的笑容！這是我一生中見過最離奇的事！”

量子世界里的怪事更勝一籌：粒子的屬性似乎與其本體處于不同的位置。例如，光子的偏振可能存在于完全沒有光子的地方。這就是量子柴郡貓。

盡管脫離實體的屬性聽起來令人不安，但這是解讀量子力學精妙預言的一種方式。亞基爾·阿哈羅諾夫（Yakir Aharonov），桑杜·波佩斯庫(Sandu Popescu)，丹尼爾·羅利希（Daniel Rohrlich）和保羅·斯克日普恰克（Paul Skrzypczyk）于2013年在《新物理學雜志》()發表的論文中首次提出量子柴郡貓概念時，正是基于這樣的思考。

測量的強度

要理解這一概念，需明確對量子系統的測量會使其“坍縮”為某一本征態——就像打開盒子時，薛定諤的貓非死即活。然而，通過平衡測量強度與結果的不確定性，我們可以在盡可能少干擾系統的同時獲取微量信息。若對粒子系綜進行多次此類測量并取平均值，便可得到一個精確結果。

這種通過"溫和探測"從量子系統中提取信息的方法于20世紀80年代首次提出，被稱為弱測量（weak measurement）。正如波佩斯庫所言，弱測量本身看似并未偏離量子形式體系，卻"開啟了一個全新的世界"。事實上，阿哈羅諾夫及其合作者四十年來持續探索弱測量引發的意外結果，量子柴郡貓正是他們研究中偶然發現的現象之一。

在2013年的論文中，阿哈羅諾夫團隊設想了一個簡單的光學干涉儀裝置："貓"是可處于左臂或右臂路徑的光子，而"笑容"對應光子的圓偏振屬性。首先，將“貓”（光子）制備為某種特定的疊加態，這一過程稱為前選擇。光子進入裝置后，可從多個出口出射。研究發現，當光子通過后選擇從某一特定出口出射時，粒子與其屬性的分離現象便會顯現。

在光子處于干涉儀的過程中（前選擇與后選擇之間），研究人員對其屬性進行弱測量——這類測量需通過多次重復獲取平均值。在特定的前后選擇條件下，會出現光子位于左臂而其圓偏振屬性出現在右臂的現象，宛如柴郡貓與其笑容分離。

這一奇特現象的數學描述清晰明確，但其物理詮釋卻顯得荒誕離奇。原文歷經一年多的同行評審，發表后仍引發爭議。不久后，針對偏振中子（）和光子（）的實驗對原研究團隊的理論模型進行了驗證，但爭論并未就此平息——歸根結底，核心分歧在于對現象的詮釋而非現象本身。

概率的量子

為理解這一令人困惑的概念，可將前后選擇裝置類比為彈珠機——彈珠從頂部單一的前選擇槽口出發，經多重障礙后落入特定的后選擇槽口（即頭獎孔）。通過統計落入孔中的彈珠數量，即可推算概率分布。在經典物理場景中，若使用相機等設備測量彈珠在不同位置的狀態與屬性，并不會對其運動軌跡或中獎概率產生影響。

在經典場景下，這種觀測不會影響彈珠的運動軌跡或頭獎概率。而在量子版彈珠機中，前后選擇機制等運作原理類似，區別在于彈珠可被制備為疊加態。由于弱測量不會干擾系統，因此可通過多次測量推斷特定結果的概率分布。此時，測量結果不再是對應系統物理屬性的本征值，而是弱值，且對其詮釋尚無定論。

▲粒子屬性分離示意圖。量子柴郡貓現象是一種奇特的物理現象，指量子粒子的屬性可完全脫離其本體。例如，光子的偏振可能存在于沒有光子的位置。在此示意圖中，我們將量子柴郡貓（光子）置于彈珠機模擬場景內，根據特定的前后選擇條件，"貓"（光子）最終出現在探測器某一臂，而"笑容"（偏振）則出現在另一側的椅子上。（插圖來源：Mayank Shreshtha）

從量子理論的視角理解這一現象，我們需要借助直觀的思維圖景 —— 即便這種圖景存在局限性。這正是 "量子柴郡貓" 作為有力隱喻的價值所在：它不僅是一種形象化的類比，更能為研究者指引新的探索方向。事實上，自該現象首次被發現以來，阿哈羅諾夫、波佩斯庫及其團隊已陸續揭示出更多令人振奮的新發現。

2021年，研究團隊將量子柴郡貓效應推廣至動態場景——"脫離實體"的屬性可在空間中傳播（）。例如，可能存在無載體的角動量流（）。另一項拓展研究中，阿哈羅諾夫提出一種質量粒子的分離測量設想：在某位置可測得其質量而無動量，在另一位置可測得其動量而無質量（），驗證該效應的思想實驗需用到馬赫-曾德爾干涉儀，結合移動反射鏡與分束器實現。

引發爭議的解釋

若你對這些概念感到困惑，不必孤單。英國紐卡斯爾大學量子基礎領域研究者喬恩特·漢斯（Jonte Hance）表示："它們就是腦筋急轉彎。"他認為，量子柴郡貓是激發公眾關注量子力學基礎問題的絕佳切入點。

“物理學家們過于忙于將量子力學應用于各類問題，無暇顧及基礎問題。”

誠然，量子物理早期曾有尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）與阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）的著名論戰，這場爭論最終以1935年發表的的愛因斯坦 - 波多爾斯基 - 羅森（EPR）佯謬（）的批判為高潮。但此后，物理學家忙于將量子力學應用于各類具體問題，無暇顧及基礎問題。

這種對量子力學基礎問題的忽視，在兩則軼事中體現得淋漓盡致。第一則軼事與阿哈羅諾夫本人相關：20 世紀 50 年代，他在以色列理工學院攻讀物理學時，曾向內森?羅森（Nathan Rosen，EPR 中的 "R"）請教量子力學基礎研究的方向。然而，該研究方向當時被視為極不合時宜，甚至有學者建議他轉向應用領域。所幸阿哈羅諾夫并未聽從該建議，后來與美國量子理論家大衛?玻姆（David Bohm）開展了合作研究。

另一則軼事與阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）有關：1975年，他前往歐洲核子研究中心（CERN）向物理學家約翰·貝爾（John Bell）請教驗證貝爾不等式以解決EPR佯謬的實驗計劃。Bell的第一個問題竟并非關于實驗細節，而是直接詢問阿佩斯是否擁有固定職位（）。所幸阿佩斯當時已有職位保障，得以開展這項實驗——該實驗后來為他贏得了2022 年諾貝爾物理學獎的共同獲獎資格。

隨著量子計算與量子信息的興起，量子基礎研究在21世紀10年代初迎來了一輪短暫的復興。但近十年間，隨著量子物理學的諸多領域相繼實現商業化成果轉化，研究重心再次明確轉向應用領域。

盡管科普作品不斷強調量子力學的"怪異"，物理學家卻常秉持務實的"閉嘴計算"態度。漢斯指出："研究者往往忘記量子力學有多奇怪，而我認為需要保持這種'怪異感'的直覺。"的確，諸如薛定諤的貓、EPR佯謬等悖論，不僅吸引和啟發了幾代物理學家，更在量子技術的發展進程中起到了關鍵推動作用。

量子柴郡貓及相關悖論的意義，在于挑戰我們的直覺，促使我們跳出固有的思維框架。即便這類研究的前景尚未清晰可見，其價值仍至關重要。正如波佩斯庫所言："多數人認同，盡管我們掌握了量子力學基本定律，卻尚未真正理解其本質。"

阿哈羅諾夫團隊的目標，是建立能夠引領前沿探索的正確直覺。波佩斯庫補充道："我們堅信能找到理解量子力學的直觀方式。"至于這一過程是否需要"貓咪"的參與，或許并非關鍵。

網站來源：https://physicsworld.com/a/curiouser-and-curiouser-delving-into-quantum-cheshire-cats/

編譯：鄭文楚

審核：郭彥良