追着幸福跑|两只“量子柴郡猫”交换笑脸经典世界中的物体拥有各种各样的属性

经典世界中的物体拥有各种各样的属性，如质量、体积等等。直觉告诉我们，物体本体与其拥有的属性是不可分离的，然而在量子世界中情况却有所不同。 2013年的理论研究表明微观粒子的物理属性（如电子的电荷和自旋、光子的偏振等）可以和其本体分离，这种现象被沃尔夫奖获得者Yakir Aharonov等人称为“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（本体）可以凭空消失，但笑脸（属性）还挂在半空中。
在中国科学技术大学完成的一项最新研究成果表明，在量子世界中物质与其物理属性存在更为灵活多变的关系。 “量子柴郡猫”所具有的属性不仅可以从其本体剥离，甚至可以被另一只“柴郡猫”捕获。这项研究成果将会加深人们对“什么是物理实在”这个物理学基本问题的认识。
新颖的测量手段
为了能够揭示“量子柴郡猫”笑脸的交换，中国科学技术大学研究团队采用了被称为量子弱测量的技术。之所以被称为弱测量，是相对标准量子力学中的强测量而言的。众所周知，对描述微观量子系统波函数实施强测量，会将系统波函数随机坍缩到测量算符的某一个本征态，这个过程将不可避免地破坏量子系统的状态。例如使用检偏器对光子的偏振状态进行鉴定，尽管最终能够确定光子的偏振方向，但同时也会完全破坏初始状态，除非光子一开始就是处在检偏器的本征指向上。之所以将这个过程称为强测量，是因为测量过程中需要完成待测量子系统和测量探针之间的耦合，并且这个耦合是如此之强，能够将系统和探针完全纠缠起来。
而量子弱测量则考虑另外一种情况，那就是系统和探针之间的相互作用非常微弱，以至于不会破坏系统的量子状态，系统在发生耦合之后还可以继续演化，同时微弱的测量耦合也不会提供关于系统状态的有用信息。这个概念在量子力学中是一个比较古老的话题，直到Yakir Aharonov、David Z. Albert及Lev Vaidman三人于1988年提出弱值（weak value）的概念后，开始受到广泛关注。和量子强测量中定义可观测量的期望值一样，可观测量的弱值被定义在前选择态和后选择态上，由两者共同决定。 AAV在最初的文章中指出，弱值不再是可观测量的本征值，可以远超过本征值的范围，甚至可以取复数值。
尽管弱值概念广受争议，但在量子信息技术中已被广泛应用。例如中国科学技术大学研究团队在2013年基于弱值实现阿秒量级的高精度时间延时测量，以及最近实现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做到最小，该技术在探索量子力学基本问题方面同样被广泛使用，例如测量微观粒子的波姆轨迹，以及观测杨氏双缝中非局域的动量传递。
本体和属性的分离
在最初版本中， Aharonov等人考虑将光子作为“量子柴郡猫” ，并且将光子的自旋（偏振）作为其笑脸。简化的示意图如下所示，其中包括分束器、反射镜及探测器等。整个系统由一个Mach-Zehnder干涉仪构成，其中光子在经过分束镜后，可以选择上下两个路径。我们可以通过对光子实施两组所谓的弱测量来揭示光子本体和其属性的分离，其中一组用于测量光子本体所处的位置（可以用路径可观测量
表示），另一组则用于测量其自旋状态，也就是柴郡猫的笑脸的位置（用条件自旋可观测量
表示），测量结果则由弱值描述。当某个路径可观测量的弱值为1时，表明光子本体出现在相应的路径当中，取值为0则表明光子本体未处于相应的路径当中；类似地，条件自旋可观测量的弱值为1/0则表明光子的自旋出现/未出现在相应的路径中。