| cyqdesign |
2020-07-15 10:25 |
兩只“量子柴郡貓”如何交換笑臉
看過童話《愛麗絲夢游仙境》的人都會記住那只咧著嘴笑的貓——“柴郡貓”，它（本體）可以憑空消失，但笑臉（屬性）還掛在半空中。 .T ,HtHe
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經(jīng)典世界中的物體擁有各種各樣的屬性，如質(zhì)量、體積等等。一般認(rèn)為，物體本體與其擁有的屬性是不可分離的，然而在量子世界中情況卻有所不同。2013年的理論研究表明，微觀粒子的物理屬性（如電子的電荷和自旋、光子的偏振等）可以和其本體分離，這種現(xiàn)象被沃爾夫獎獲得者亞基爾·阿哈羅諾夫（Yakir Aharonov）等人稱為“量子柴郡貓”。 nCp_RJu
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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)一項最新研究成果表明，在量子世界中物質(zhì)與其物理屬性存在更為靈活多變的關(guān)系�！傲孔硬窨へ垺彼哂械膶傩圆粌H可以從其本體剝離，甚至可以被另一只“柴郡貓”捕獲。也就是說，兩只“柴郡貓”可以交換笑臉。 ;H`@x Lv*
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日前，國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》發(fā)表了這項研究成果。光明日報7月14日刊發(fā)報道《我學(xué)者揭示“量子柴郡貓”獨特量子特性》引發(fā)社會關(guān)注，圍繞大家關(guān)心的問題，記者再次采訪了該科研團(tuán)隊。 -$:*!55:j
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新穎的測量手段 ov H'_'
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為了能夠揭示“量子柴郡貓”笑臉的交換，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊采用了被稱為量子弱測量的技術(shù)。 IGVq`Mx j
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“之所以被稱為弱測量，是相對標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)中的強(qiáng)測量而言的�！眻F(tuán)隊成員許小冶介紹說，眾所周知，對描述微觀量子系統(tǒng)波函數(shù)實施強(qiáng)測量，會將系統(tǒng)波函數(shù)隨機(jī)坍縮到測量算符的某一個本征態(tài)，這個過程將不可避免地破壞量子系統(tǒng)的狀態(tài)。例如使用檢偏器對光子的偏振狀態(tài)進(jìn)行鑒定，盡管最終能夠確定光子的偏振方向，但同時也會完全破壞初始狀態(tài)，除非光子一開始就是處在檢偏器的本征指向上。之所以將這個過程稱為強(qiáng)測量，是因為測量過程中需要完成待測量子系統(tǒng)和測量探針之間的耦合，并且這個耦合是如此之強(qiáng)，能夠?qū)⑾到y(tǒng)和探針完全糾纏起來。 ts@Z5Yw*!
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而量子弱測量則考慮另外一種情況，那就是系統(tǒng)和探針之間的相互作用非常微弱，以至于不會破壞系統(tǒng)的量子狀態(tài)，系統(tǒng)在發(fā)生耦合之后還可以繼續(xù)演化，同時微弱的測量耦合也不會提供關(guān)于系統(tǒng)狀態(tài)的有用信息�！斑@個概念在量子力學(xué)中是一個比較古老的話題，直到亞基爾·阿哈羅諾夫等三名科學(xué)家于1988年提出弱值的概念后，開始受到廣泛關(guān)注�！痹S小冶說，和量子強(qiáng)測量中定義可觀測量的期望值一樣，可觀測量的弱值被定義在前選擇態(tài)和后選擇態(tài)上，由兩者共同決定。三位科學(xué)家在最初的文章中指出，弱值不再是可觀測量的本征值，可以遠(yuǎn)超過本征值的范圍，甚至可以取復(fù)數(shù)值。 K@xMPB8in
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盡管弱值概念廣受爭議，但在量子信息技術(shù)中已被廣泛應(yīng)用。例如中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊在2013年基于弱值實現(xiàn)阿秒量級的高精度時間延時測量，以及最近實現(xiàn)糾纏系統(tǒng)波函數(shù)的直接表征。由于弱測量對系統(tǒng)狀態(tài)的破壞可以做到最小，該技術(shù)在探索量子力學(xué)基本問題方面同樣被廣泛使用，例如測量微觀粒子的波姆軌跡，以及觀測楊氏雙縫中非局域的動量傳遞。 -64 ;P9:A>
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本體和屬性的分離 &~/g[\ Y
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在最初版本中，亞基爾·阿哈羅諾夫等人考慮將光子作為“量子柴郡貓”，并且將光子的自旋（偏振）作為其笑臉。整個系統(tǒng)由一個干涉儀構(gòu)成，其中光子在經(jīng)過分束鏡后，可以選擇上下兩個路徑�！拔覀兛梢酝ㄟ^對光子實施兩組所謂的弱測量來揭示光子本體和其屬性的分離，其中一組用于測量光子本體所處的位置，另一組則用于測量其自旋狀態(tài)，也就是柴郡貓的笑臉的位置，測量結(jié)果則由弱值描述�！� W94
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