实验中 ， 研究组首先通过自发参量下转换过程 ， 制备出不存在经典描述的双光子超纠缠态 。 在这种状态下 ， 两个光子的偏振和路径自由度分别处于最大纠缠态 ， 但是两个维度之间处于毫无关联的直积状态 。 进一步通过在某些路径上施加自旋操作 ， 将双光子制备到特定图态 ， 完成前选择态的制备 。 随后在光路中引入虚时演化 ， 实现对光子路径和自旋的弱测量 。 最后进行一种被称为联合贝尔态测量的操作 ， 完成对系统的后选择 。 通过对不同的微扰种类和演化时间下的光子探测效率分析 ， 就可以进一步获得光子的路径和偏振可观测量的弱值 。 这些弱值表明 ， 实验中的两光子都展现出本体和属性分离的“量子柴郡猫”现象 。 更为重要的是 ， 最终每只量子柴郡猫都会捕获另一只猫的偏振属性 。 这个新捕获的偏振替代了光子原先的偏振属性 ， 随着光子最终进入探测器而被检测到 ， 最终实现光子本体与其初始时刻携带的自旋属性的永久分离 。
该研究成果展示了量子世界中物质与其属性的灵活多变的关系 ， 对探索微观粒子的性质在接受测量之前是否具有实在性（Reality）具有启发意义 ， 将对量子力学基础问题的研究起到重要推动作用 。 另一方面 ， 通过引入微扰获得弱值 ， 从而规避传统方法对额外辅助探针的需求 ， 也将成为解决量子科学领域其他难题的有力工具 。
图2.实现光子自旋分离和交换的示意图（上）和实验装置图（下）
图3.为了得到一个物理量的弱值 ， 传统的方法需要借助系统与一个指针量子比特的耦合来完成 。 在这项工作中 ， 研究人员创造性地使用微扰 ， 避免了复杂的耦合过程（左图） ， 相应的弱值则通过探测概率和微扰强度的联系直接给出（图(a)） 。 图(b)展示了主要研究结果 ， 即“量子柴郡猫”的属性从其本体分离并发生交换 。
参考文献：
1. Aharonov, Y., Popescu, S., Rohrlich, D. & Skrzypczyk, P. Quantum cheshire cats. New J. Phys. 15, 113015 (2013).
2. Denkmayr, T., Geppert, H., Sponar, S., Lemmel, H. & Matzkin, A. Observation of a quantum cheshire cat in a matter-wave interferometer experiment. Nature Commun. 5, 4492 (2014).
3. Ashby, J. M., Schwarz, P. D. & Schlosshauer, M. Observation of the quantum paradox of separation of a single photon from one of its properties. Phys. Rev. A 94, 012102 (2016).
作者：许小冶 ， 许金时 ， 李传锋
【追着幸福跑|两只“量子柴郡猫”交换笑脸】来源：中国科学技术大学

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