量子也能被“擦除”？双缝实验的“双重反转”，改变的不是过去，而是观察者

什么是量子擦除实验？玛丽亚·维奥拉里斯（Maria Violaris）研究了看似矛盾的延迟选择量子擦除实验，并为《物理世界》量子特刊撰写了该文章。本文由该文章编译而成。

▲（图片提供：Mayank Shreshtha）

“欢迎阅读本期纪念量子力学诞生200周年的《物理世界》特刊。在这个双量子版本中，文章是用量子比特存储的。当您开始阅读，便将字母投射到一个固定状态，信息被复制到您的脑海中形成正在阅读的这篇文章。实际上，这些文字是多篇文章的叠加态，但最终，只有一篇会‘坍缩’进您的脑海。希望您喜欢读到的这篇。

这是我设想的2125年《物理世界》量子特刊的开场白，那时候，成熟的量子计算机已遍地开花，我们甚至可以控制屏幕上每一个量子比特的状态。如果你有幸读到这样一本杂志，可能会感到有点遗憾——你只能读到叠加态中坍缩出来的一篇文章。为什么会这样？因为你读文章的过程中，会把信息拷贝进你的大脑，从而让文字“退相干”——即从多个可能状态中固定下来。那有没有办法“回头”看看别的版本？毕竟，多读几篇《物理世界》的文章总没坏处。

一个或许可行的解决方案是：如果你能“擦除”对那篇文章的记忆，或许就能让文字恢复相干状态。一旦没有了识别哪篇文章被读过的信息，就没有理由让它保持退相干并固定成单一状态。你可以重新开始阅读另一个版本的文章。

听起来很奇幻吧！其实，这个思维实验与量子力学中一个经典实验高度相关——延迟选择量子擦除实验。这是著名的双缝实验的一个颠覆常识的变体实验，常被解读为“未来的测量影响了过去的事件”。可是即便在奇异的量子世界，这种悖论性的说法真的成立吗？

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双缝实验与它的两个变体

在经典的双缝实验中，光子逐个地通过两个狭缝，最后在屏幕上形成波形干涉条纹，标志着光的波动性。然而，如果我们在狭缝处放置探测器，检测光子走了哪条路径，干涉条纹就会消失，屏幕上只剩下两个分离的光斑，说明光子表现出的是粒子性。这里的关键在于：获取光子走哪条路径的信息会改变光子的量子态，从波形的干涉图样转变为粒子状的光斑。

这个思想实验的第一个“反转”，来自物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）1978年提出的设想，以及他后来与沃伊切赫·祖雷克（Wojciech Zurek）在1983年的合作研究。他提出一个“延迟选择”版本：不是在光子穿过狭缝时立即测量，而是等它几乎到达屏幕前才决定是否测量其路径。有趣的是，即使延迟光子路径的探测，探测行为依然决定了它是表现出波动性行为还是粒子性行为。换句话说，即使在光子通过狭缝很久之后才进行的探测，也决定了该光子是否会发生自我干涉。

如果这还不够奇怪，那么延迟选择量子擦除实验就更进一步。这一方案最早由美国物理学家马兰·斯卡利（Marlan Scully）和凯·德吕尔（Kai Drühl）于1982年提出，并在2000年由金允浩（Yoon-Ho Kim）等人通过实验实现。这个变体问题的第二个“反转”在于：既然获得路径信息会导致干涉图样消失，那么如果我们把这个信息“擦除”会怎么样？ 想象把探测器缩小成单个量子比特，让它与光子纠缠：光子穿过“左”缝对应量子比特为0，“右”缝对应为1。我们不直接测量这个量子比特是0还是1（那样就得知路径了），而是换一种互补的方式测量它，将0和1随机化（从而擦除了路径信息）。

▲1：延迟探测、路径揭示和互补测量。此插图类比3D眼镜，展示了量子擦除如何在双缝实验中恢复光子的波动性行为。左上角的方框展示了标准双缝实验装置。由于狭缝处没有探测器测量光子的路径，屏幕上出现了干涉图样。在方框1中，每个狭缝处都有探测器，测量光子通过了哪个狭缝，干涉图样被破坏。方框2和3显示，通过擦除“路径”信息，干涉图样得以恢复。这是通过使用擦除（此处用3D眼镜的红色滤光片和蓝色滤光片表示）分离光子来实现的。最后的方框4显示，使用擦除后的整体图样没有干涉，与方框1中看到的图样相同。在方框2、3和4中，一个探测器量子比特测量“路径”信息，状态|0>代表左缝，|1>代表右缝。这些是“布洛赫球”（一种量子比特的抽象表示）z轴上的点。随后，擦除器沿布洛赫球的x轴对探测器量子比特进行互补测量。这消除了“路径信息”，但揭示了用于筛选结果的红蓝镜片信息，如3D眼镜图像所示。（图片提供：Mayank Shreshtha）

令人惊讶的是，虽然屏幕上整体看来还是两个模糊的亮斑（如图4所示），但如果我们按照量子比特测量得到的不同结果，对光子在屏幕上的落点进行分类，再分别画出图样，那么这两个分类图像各自都会显现出明暗相间的干涉条纹（如图2和图3各自所示）。也就是说，被“擦除”的路径信息居然又让波动性重新显现了出来！

我喜欢用一副3D眼镜来帮助理解这个实验。3D眼镜有两个镜片，一个红色镜片、一个蓝色镜片，戴上之后你能看到两个不同的图像。这就像在量子橡皮擦实验中，那两个分开的干涉图样。而如果你摘下眼镜，看到的就是这两个图像的叠加结果，而在这个量子橡皮擦实验里，这个叠加图样就是完全“退相干”的画面，即不再有干涉条纹的痕迹。现在，如果你能对探测器做互补测量，就好像你得到了那副3D眼镜，通过单独的左眼镜或者右眼镜可以将原本看不清的画面，重新分离出两个干涉图样。

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这是否改写了过去？

如果能通过“擦除”探测器信息恢复干涉图样，那岂不是就意味着改写了光子原本已经“坍缩”的粒子行为？这确实令人困惑。但纽卡斯尔大学的物理学家容特·汉斯（Jonte Hance）强调了一个不同的结论。他指出，虽然我们能在分离后的图样中看到干涉，但合起来时仍是无干涉的叠加图像。这意味着，真正神奇的地方在于“纠缠”引发的丰富、反直觉的量子关联——而并非时间回溯。

事实上，惠勒本人也不认为这个实验意味着过去可以被改变。葡萄牙国际伊比利亚纳米技术实验室的洛伦佐·卡塔尼（Lorenzo Catani）指出：“惠勒的结论是，我们必须放弃某种实在论——也就是过去独立存在于我们观察之外的信念。据我所知，只有少数研究者将该实验解释为回溯因果性的证据。”

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擦除 vs 贝尔：谁更奇怪？

奥地利因斯布鲁克大学的约翰内斯·范克豪泽（Johannes Fankhauser）是试图解开这个谜题的物理学家之一。“我听说了量子擦除，那些关于时间回溯影响的诡异说法让我非常困惑，”他解释道。“我碰到一些听起来反直觉、神奇的东西，就想理解它，理解之后，它就有点不那么神秘了。”

范克豪泽意识到，量子擦除的实验装置其实可以等效地转换为一个非常标准的贝尔实验——用来检验隐变量理论的经典实验。这意味着，量子擦除中奇特的相关性，其实并不需要时间回溯来解释，因为贝尔实验没有这一理论也能被理解。他进一步用德布罗意-玻姆理论来分析这个实验，并明确得出结论：完全可以用经典的“导波”模型来解释擦除实验，无需借助时间回溯的解释。

那么，这是否意味着擦除实验没有告诉我们任何超出贝尔实验的信息？不尽然。范克豪泽认为，它提出了非常深刻的问题：到底什么叫“测量”？系统到底什么时候才算有了一个确定属性？这些问题我们还没有完全理解。

擦除实验展示了观察行为本身对结果的重要性，在实验中，探测器扮演了观察者的角色。“你测量它的一些属性，就改变了另一个属性，”范克豪泽说。“所以下次你测量它时，新属性是通过观测产生的。我现在正试图更具体地形式化这一点。我正尝试提出一种新的方法和框架来研究这些问题。”

与此同时，卡塔尼在研究中发现了贝尔实验与擦除实验之间一个神奇的对比。“贝尔定理的含义要深远得多，”卡塔尼说。他发现，如果给经典物理模型加入对信息访问的限制，量子擦除实验的结果是可以模拟的。但贝尔实验则不能。这说明，贝尔实验相对经典物理的偏离更为彻底。卡塔尼还对比了两者的数学严谨性，贝尔理论背后有严格的数学假设，而量子擦除之所以产生悖论，更多是源于我们对其叙述方式的误解。

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既是思维实验，也是启发工具

物理学家普遍认为，量子擦除思维实验的数学完全符合标准量子理论。但容特·汉斯指出，数学上的一致性不等于我们已经真正理解了这些现象的物理含义。汉斯一直在分析该思维实验中不同假设的物理含义，在他2021年的一篇预印本论文中，他与与合作者探讨了量子擦除悖论。

量子擦除成了我们理解量子关联独特匹配方式的工具——这种方式是经典物理学无法描述的。“它是一种出色的思维工具，既启发了思维，又能揭示量子世界的奇异本质。”

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信息、观测者与量子计算机

不同的物理学家从量子擦除中看到不同的意义：有的看到它对测量属性提出的挑战，有的从数学严谨性中获得启发，也有人将其看作需要解读的反直觉谜题。对于少数偏离量子理论标准方法的人来说，是时间回溯影响下的某种形式。

对我而言，正如我在YouTube视频和2023年的一篇论文中所讲，量子擦除最重要的意义是：它揭示了观察者的角色究竟意味着什么。量子擦除强调，只要两个量子比特纠缠过一次，即便之后不测量，系统也会退相干。这说明，宏观“观察者”并非必要。这也解释了为什么建造量子计算机如此困难：哪怕只是和一个粒子发生非预期的纠缠，都可能让整个计算系统坍缩成随机态。

那么，我们这本200年双量子特刊的未来读者们该怎么办呢？简单地擦除他们的记忆并不足以恢复文章的量子行为。改变哪篇文章被选中为时已晚。不过，依照量子擦除原理，我们的未来主义者或许能比那些‘心思缜密’的杂志编辑做得更好：他们可以利用互补测量结果，把一篇文章“分拣”成两个版本——每一个都展示了被隐藏的量子结构。所以，量子擦除虽然无法改变过去，但它也许可以帮你重写未来会看到什么。

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

作者介绍：玛丽亚·维奥拉里斯（Maria Violaris） 是一位量子物理学家、科学传播者和内容创作者；牛津大学量子信息科学基础博士，并曾是《物理世界》的博士生撰稿人。

编译：程欢

审核：郭彦良