【科普】延迟选择！量子擦除！双缝干涉实验的“真相”
【科普】延迟选择！量子擦除！双缝干涉实验的“真相”
双缝干涉实验是量子力学中最著名的实验之一，它揭示了微观粒子的波粒二象性。从19世纪的杨氏双缝实验到20世纪末的延迟量子擦除实验，科学家们不断探索着光子和电子等微观粒子的神秘行为。本文将带你深入了解这一系列实验，特别是1999年由Kim等人设计完成的延迟量子擦除实验，这个被誉为"最恐怖"、"最诡异"的实验，究竟揭示了什么令人震惊的真相？
在20世纪中叶，先前的波动力学已经逐步让位给了后来的量子场论。但是量子力学中那诡异的"波动性"，却始终萦绕在每一个物理学家脑中。
说到波动性，托马斯·杨的"杨氏双缝实验"我们都很熟悉了。凭借这一实验，牛顿的光的"微粒说"险些一度被抛弃。不过这个实验仍然属于经典力学实验，用的是一束光，而非单个光子。
杨氏双缝实验
为了验证单个光子是否也具有波动性，早在1909年，杰弗里·泰勒首次设计并完成了单光子的双缝干涉实验。但是正如当时的用词是"feeble light"，所以严格来说，这个实验只能算是"弱光源"，而非严格意义上的单光子源。
不管是一束光还是单个光子，光具有波动性还不足为奇，人们更好奇的是德布罗意说的那种物质的波动性。作为有质量的粒子，电子就是一个非常适合用来做实验的"物质粒子"。
1961年，图宾根大学的克劳斯·约恩松提出了一种单电子的双缝干涉实验。后来1974年，皮尔·梅利等人用制备的单电子源，第一次做成了单电子的双缝干涉实验。
随着一个个电子打在屏幕上，慢慢地，一副具有干涉条纹特征的图像出现在了人们面前。这一切预示着：电子似乎真的同时通过了两条狭缝，自己和自己发生了干涉。
单电子双缝干涉实验图样
令人诧异的不止于此，更诡异的还在后面。
1979年，在纪念爱因斯坦诞辰100周年的研讨会上，善于开脑洞的惠勒，提出了著名的"延迟选择实验"的构想：如果我们在粒子"同时"通过了两条狭缝，甚至是打在了屏幕上之后，再通过某种特殊的方式，获知了粒子究竟走了哪条缝，那么屏幕上的干涉条纹还会存在吗？
1982年，又有物理学家在先前实验的基础上提出了新的点子：如果我们通过某种方式，把粒子走了哪条缝的"路径信息"（Which Way Information, WWI）再给抹掉，情况又会怎么样呢？这就是后来的"量子擦除实验"。
关于双缝干涉实验的变种实验有很多，这期我们借助最具代表性的，1999年由Kim等人设计完成的"延迟量子擦除实验（delayed choice quantum eraser）"，来详细探究下这个号称历史上"最恐怖"、"最诡异"，甚至说是"颠覆了因果律"的单粒子双缝干涉实验。搞懂了这个实验，相信你以后再看其他类似实验，都能看透其中的奥秘。
Kim的延迟量子擦除实验设计
在解释这个实验之前，我们先用平时常见的、比较"吓人"的方式，来大致介绍下整个实验过程。（如果你已经对这些实验有所了解，也可以直接跳过。）
在经典力学里，当一个小球通过两个狭缝时，它只可能选择其一进行通过，所以狭缝后的接收屏上出现两片痕迹，这很正常也是很和逻辑的。注意一点，如果两片痕迹挨得很近，那么真实的图像看起来很可能是一大坨印记。
经典力学场景
但是同样的场景如果缩小到量子尺度，把小球换成光子、电子这样的微观粒子，那么实验结果将截然不同：接收屏上出现了很规律的干涉条纹。
量子力学场景
出现了干涉，这说明存在两个东西，但是粒子是一个个发射的呀，下一个粒子是在上一个粒子已经到达接收屏后才发出的，所以干涉肯定不是不同粒子之间的行为。
这就是实验的第一个诡异之处：粒子似乎像有分身术一样，它同时穿过了两条狭缝，自己和自己发生了干涉。
为了搞清楚这个粒子到底有没有真的使用"分身术"，我们在狭缝处放置一个探测器，看一看它究竟会通过哪条狭缝。
放置一个观测仪器看粒子到底通过哪条缝
但是实验结果是：当打开探测器后，粒子就随机选一个狭缝进行通过，接收屏上也不再有干涉条纹；而探测器一旦关闭，粒子似乎再次同时通过两个狭缝，干涉条纹又回来了。
这就是第二个诡异之处：粒子似乎知道自己被观察了，它会借此改变自己接下来的行为方式。
这回，为了不让粒子提前做决定，这次我们把探测器放在狭缝后面，让粒子先通过狭缝，我们再看它是从哪个狭缝过来的。
实验结果是：粒子的行为和之前一样，仍然是开了探测器就走一条缝，不开那就同时走两条缝。
这是第三个诡异之处，也是大家认为这一系列实验最"恐怖"的地方：粒子不但知道自己此刻有没有被观察，它还能"预测"自己未来是否会被观察。或者也可以说：它在知晓自己被观察后，竟然能够改变自己过去的行为。难道真的可以穿越时空修改历史？因果律真的被颠覆了吗？
好了，上面介绍的实验过程可以说只是个思想实验。对它有了大致印象以后，我们再来看看现实中真正的单光子双缝实验究竟是怎么样的。
首先，真实实验中的单光子源以及双缝，都和前面设想的差不多。不同的地方是，思想实验中的那个探测器，并不是像个摄像头一样可以直接"看"到粒子的行为。因为你要探测一个粒子的话，势必会影响到它，所以我们的探测最好能在不影响它原本行为的情况下进行。
这可能吗？
还真能！
光学实验中有一个设备叫做BBO晶体，它的作用是吸收一个光子，并产生一对儿能量减半的纠缠光子。我们把BBO晶体放置在双缝的后面，这样原先那个通过狭缝的光子就会进入BBO晶体，然后变成了两个相互纠缠的光子。
由于这两个光子处于量子纠缠状态，所以我们只需要用探测器探测这对儿纠缠光子其中的一个就行了，这个光子我们叫它"标记光子（idler photon）"；而另一个光子则让它正常打到接收屏上即可，我们叫它"信号光子（signal photon）"。
如此一来，如果探测器A收到光子，那么说明最初的光子是从a缝过来的；如果探测器B收到光子，则说明光子是从b缝过来的。当然，如果两个探测器都有信号，那意味着光子确实同时经过了两条缝。
实验结果和之前设想的一样：只要A、B两个探测器存在，那么光子就始终只会通过一个狭缝，接收屏X也不会出现干涉图样。
如果标记光子不被探测器A和B接收，而是继续往后走，一直走到探测器C和D之间的那个半透镜上。
这个半透镜之前我们介绍过，对于单个光子来说，它有一半的概率通过半透镜，一半的概率被它反射。所以无论是从a缝过来的标记光子（也就是红色路径），还是从b缝过来的（也就是蓝色路径），它们最终都会被探测器C或D接收。
全同粒子那期我们说过，根据全同粒子的特性，射向探测器C和D的光子我们无法区分其来源。（注意：这里是真的无法区分，并不是技术问题。）这意味着我们"擦除"掉了光子先前的路径信息，相当于是关掉了摄像头，于是干涉图样又回来了。
甚至于，我们可以人为地把标记光子的路径设置的足够长，长到信号光子打到接收屏X之后，再决定标记光子怎么走。但是最终，实验结果和之前推测的一样，丝毫不受影响。
但是注意，重点来了：
在实际的实验过程中，接收屏X上并不会直接呈现出大家想象的那种干涉条纹，而始终只会呈现出一大坨经典光斑。
接收屏上的原始图样（无干涉条纹）
我们说它出现干涉图样，那是结合了探测器C或者D的数据后才得到的结果。记住：是结合了探测器数据后的结果！这点非常重要！
结合了探测器A的数据后，接收屏上提取出来的干涉图样A
结合了探测器B的数据后，接收屏上提取出来的干涉图样B
再说具体点：当我们按照探测器C接收到的光子信息，把与之对应的那些信号光子形成的光斑从接收屏X上提取出来后，我们才会看到干涉图样。转换成坐标图的话，波峰的地方就是亮条纹，波谷的地方就是暗条纹。同理，如果把探测器D的信息对应的光斑提取出来后，图像也是一个由多个波峰组成的干涉图案。
结合了探测器A的数据后，接收屏上提取出来的信号光子数据
结合了探测器B的数据后，接收屏上提取出来的信号光子数据
但是发现没有，这两幅图像正好错了半个波长，每一幅的波峰都正好和另一幅的波谷重合。而当我们把两个图像叠加在一起后，由于波峰和波谷重叠，最终只会呈现出一个大的波峰，它对应的正好就是我们在接收屏X上直接看到的那个没有干涉的一大坨光斑。
A和B两幅干涉图样重叠后即为接收屏的原始图样（忽略颜色情况下无干涉条纹）
两个探测器对应信号光子数据叠加后效果
顺带说下，如果我们选择不擦除路径，让标记光子直接走到前面两个探测器A、B上，那么最终提取出来的图像，无论是分开的还是叠加后的，都只会有一个大的波峰，也就是没有出现干涉。
不擦除路径信息时，结合探测器A的数据，接收屏提取出的图样（无干涉条纹）
不擦除路径信息时，结合探测器B的数据，接收屏提取出的图样（无干涉条纹）
A和B两幅无干涉图样重叠后即为接收屏的原始图样（仍无干涉条纹）
所以真相是什么？
真相是：接收屏X上的光斑从始至终都没有发生过任何变化，变化的是我们对它的"解释"！
这句话怎么理解？关键在于量子纠缠。
由于信号光子和标记光子它俩处于的是纠缠态，所以对于这对儿纠缠光子，单方面来说它已经不是完整的个体了。如果用"互补原理"的话说就是：这对儿纠缠光子是最初那个光子的两个面儿，如果要描述最初那个光子的行为，这两个纠缠光子的情况你必须都要考虑到。用弦论的话说：这里的干涉行为可能发生在更高的维度上。
假如我们把排除了标记光子后的部分作为一个孤立系统，那么对于系统中的接收屏X来说，它的信息是不完整的。但是事情的整个过程，却是包含了后面探测器接收标记光子部分的。这个实验人们之所以觉得"恐怖"，关键就在于我们用了不完整的信息来解释一件原本完整的事情。
可是，这么说的话，难道一切都只是量子纠缠惹的祸？那假如真的能找到一种不需要依靠量子纠缠，完全像思想实验说的那样，可以直接对原始光子进行探测的方法，那又该如何解释呢？
其实不管是现实实验中的探测器，还是思想实验中的摄像头，无论什么测量方式，在我们探测到光子之前，光子的波函数还没有坍缩，所以它根本就没有表现出粒子特性。人家光子一直都是像费曼的路径积分说的那样，同时走了所有路径，自然也包括那两条缝。只是我们说它是从哪条缝过来的，这完全是根据此刻光子表现出的粒子特性，自己脑补出来的路径而已。
所以呢，光子并没有改变历史，未来也不会决定现在，它只是在帮助我们讲述过去的故事罢了。