追着幸福跑|两只“量子柴郡猫”交换笑脸( 二 ) 经典世界中的物体拥有各种各样的属性

图1.“量子柴郡猫”示意图
Aharonov等人发现，通过精巧设置合适的前后选择态，就可以展现类似《爱丽丝梦游仙境》中柴郡猫与其笑脸分离的现象。具体来说，在Mach-Zehnder干涉仪的上路径中，对路径及条件自旋观测量实施的弱测量给出相应的弱值分别为0和1 ，也就是说，有一个没有猫的笑脸出现在该路径中。相应的，在下路径中实施的弱测量得到的弱值分别为1和0 ，也就是说，下路径中出现了一只没有笑脸的猫。简而言之，在干涉仪中“量子柴郡猫”和它的笑脸被分开了。
在“量子柴郡猫”的概念被提出后不久，来自奥地利维也纳科技大学的实验物理学家便利用中子进行了实验演示。在中子干涉仪中，通过外加磁场，精确调控其自旋和路径的量子状态，从而实现前选择态的制备以及后选择操作。在干涉仪的两臂中施加弱测量获得所需要的中子路径及条件自旋的弱值。实验结果正如Aharonov等人所预言的那样，在干涉仪中，中子的自旋总是出现在与其本体位置相反的另一臂。紧接着，美国波特兰大学的实验物理学家使用自发参量下转换过程产生的可预报单光子进行了类似的实验，同样看到了“量子柴郡猫”现象。
引起的争议
已有的实验表明，不论是有质量的中子还是无质量的光子，都能展现出这种不符合常理却真实存在的量子现象。然而，利用光子进行的实验备受争议，因为这种现象在基于经典光的干涉仪中同样能够观察到，并且这样的实验可以用描述电磁波的经典波动理论予以解释。因此， “量子柴郡猫”在多大程度上是属于量子世界的亟需得到确认。
另一方面，既有实验尽管展示了微观粒子在历史上可以处于本体与属性的分离，但是最终它们仍然聚合到了一起。既然物理属性可以从其本体分离，随之也自然会带来如下问题：物理客体是否可以携带本不属于自己的物理属性呢？
因此，进行更为复杂的实验进一步展示“量子柴郡猫”的独特量子效应，例如实现涉及多个“量子柴郡猫”的诡笑脸交换，可以从正面回答这两方面的争议，对理解量子系统如何从根本上区别于其经典对应具有重要的物理意义。
笑脸的无接触交换
近日，来自中国科学技术大学郭光灿院士团队的李传锋、许金时、许小冶等人与南开大学陈景灵教授合作，基于光子的偏振与其本体分离，进一步实现两个光子偏振的无接触交换，揭示了“量子柴郡猫”的独特量子特性。该成果以Experimental exchange of grins between quantum Cheshire cats 为题发表在Nature Communications上。
然而，观察“量子柴郡猫”的笑脸交换并不容易，这涉及到对多体量子系统弱值提取的难题。提取弱值的通常做法是引入辅助探针，当系统增大时，所需的耦合过程将会越来越复杂。想要实现光子偏振的无接触交换，势必涉及多个“量子柴郡猫” ，进一步在系统中引入额外探针面临技术挑战。
李传锋研究组首先发现，通过对系统施加微扰，可以绕过传统的弱测量方法，利用系统探测概率与微扰强度之间的内在联系，可以直接得到所需要的弱值。有趣的是，取得弱值所需的微扰形式，与数学中的虚数概念有着深刻的联系。在量子力学中，一个封闭体系的演化遵循薛定谔方程，时间是演化的一个参数。如果将演化的时间取为一个绝对值很小的虚数，对应的微扰将使体系不再是封闭的，但是这种演化恰好可以将光子最后被测量的概率与演化的时间联系起来，在两者之间建立一个线性的关系。这个线性模型的斜率就刚好给出弱值。这种微扰被称为虚时演化。