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如何偷窥薛定谔的猫而不打扰它?

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如何偷窥薛定谔的猫而不打扰它?
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薛定谔的猫是一个量子系统,代表了量子物理学中最大的谜题之一:如何测量一个量子系统而不改变它?(图自:维基百科 / Dhatfield)


然而,在10月1日发表于《新物理学期刊》(New Journal of Physics)上的一项研究中,研究人员描述了一种既能观察到猫,又不会迫使其它活着或死亡的可能方法。通过这种方法,科学家或许能加深对物理学中一个最基本悖论的理解。

在我们这个常规的大尺度世界中,观察一个物体似乎并不会导致其改变。但如果尺度足够小,情况就不是这样了。该研究的第一作者、日本广岛大学物理学助理教授霍尔格·霍夫曼(Holger F。 Hofmann)说:“我们通常认为,为了观察所付出的代价是微不足道的。这是不准确的。为了观察,你必须用到光,而光会改变物体。”因为即使是单个光子,也会将能量从你所看到的物体中转移出去,或者转移到物体上。

霍夫曼和当时在广岛大学做访问本科生、现在在印度理工学院孟买分校工作的卡尔蒂克·派特卡尔(Kartik Patekar)想知道,有没有一种方法可以让人们在不“付出代价”的情况下进行观察。他们得出了一个数学框架,将最初的互动(观察猫)和结果读取(知道猫是死是活)分隔开来。

“我们的主要动机是非常仔细地观察量子测量发生的方式,”霍夫曼说,“关键在于,我们把测量分为两个步骤。”通过这么做,霍夫曼和派特卡尔得以假设所有参与初始相互作用(观察猫)的光子都能被捕获,而不会丢失关于猫的状态的任何信息。所以在读取结果之前,所有关于猫的状态(以及观察是如何改变其状态)的信息都是可获得的。只有当我们读取信息时,才会失去了一部分信息。

霍夫曼说:“有趣的是,读取过程会选择这两种信息中的一种,然后完全抹去另一种。”以下就是他们如何用“薛定谔的猫”来描述他们的工作。假设猫还在盒子里,我们不是通过观察内部来确定猫是死是活,而是在盒子外面设置一个相机,通过某种方式拍摄一张盒子内部的照片(这只是一个思想实验,请忽略这个相机在物理学上行不通的事实)。一旦拍摄了这样一张照片,相机就具有两个信息:猫的状态如何因为拍摄照片而改变(研究人员称之为量子标记),以及猫在拍摄之后是死是活。此时这些信息都还没有丢失,你可以获得其中一个信息或另一个信息,这取决于你选择如何“冲洗”这张照片。

霍夫曼在接受采访时表示,这个过程就像抛硬币一样。你可以选择知道一枚硬币是否翻转,也可以选择知道硬币现在是正面还是反面,但你不可能两者都知道。更重要的是,如果你知道一个量子系统是如何变化的,而且假设这个变化是可逆的,那么就有可能恢复它的初始状态(就像你可以把硬币翻转回去)。

“你总是会先干扰系统,但有时,你可以撤销这种干扰,”霍夫曼说道。就薛定谔的猫而言,这意味着先拍摄一张照片,但我们不是把照片冲洗出来看清楚猫的状态,而是通过某种“冲洗”方式,使猫恢复到生与死的叠加态。换句话说,现在照片与猫的命运纠缠在一起,我们选择不同的方式处理照片,就会决定猫身上发生什么。

重要的是,读取结果的选择需要在测量的分辨率和干扰之间进行权衡,二者是完全等价的。分辨率是指从量子系统中提取了多少信息,而干扰是指系统发生了多少不可逆的变化。换句话说,你越了解猫的当前状态,你对它的改变就越无法挽回。

“我发现最令人惊讶的是,消除干扰的能力与你观察到多少信息(或测量到的物理量)直接相关,” 霍夫曼说,“这里的数学是相当精确的。”

澳大利亚国立大学的理论物理学家迈克尔·霍尔(Michael Hall)没有参与这项研究,他表示,尽管之前的研究指出了在量子测量中分辨率和干扰之间的权衡,但这篇论文是第一次对确切的关系进行了量化。“据我所知,以往的研究结果中,没有涉及到分辨率和干扰的确切等式,”霍尔说,“这一结果使得论文中的方法非常简洁。”

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