看過童話《愛麗絲夢(mèng)游仙境》的人都會(huì)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。

　　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(jiǎng)獲得者亞基爾·阿哈羅諾夫（Yakir Aharonov）等人稱為“量子柴郡貓”。

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)一項(xiàng)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。“量子柴郡貓”所具有的屬性不僅可以從其本體剝離，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。

　　日前，國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》發(fā)表了這項(xiàng)研究成果。本報(bào)7月14日刊發(fā)報(bào)道《我學(xué)者揭示“量子柴郡貓”獨(dú)特量子特性》引發(fā)社會(huì)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(duì)。

　　　新穎的測(cè)量手段 

　　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(duì)采用了被稱為量子弱測(cè)量的技術(shù)。

　　“之所以被稱為弱測(cè)量，是相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)中的強(qiáng)測(cè)量而言的。”團(tuán)隊(duì)成員許小冶介紹說，眾所周知，對(duì)描述微觀量子系統(tǒng)波函數(shù)實(shí)施強(qiáng)測(cè)量，會(huì)將系統(tǒng)波函數(shù)隨機(jī)坍縮到測(cè)量算符的某一個(gè)本征態(tài)，這個(gè)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(duì)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(shí)也會(huì)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(gè)過程稱為強(qiáng)測(cè)量，是因?yàn)闇y(cè)量過程中需要完成待測(cè)量子系統(tǒng)和測(cè)量探針之間的耦合，并且這個(gè)耦合是如此之強(qiáng)，能夠?qū)⑾到y(tǒng)和探針完全糾纏起來。

　　而量子弱測(cè)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(huì)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(shí)微弱的測(cè)量耦合也不會(huì)提供關(guān)于系統(tǒng)狀態(tài)的有用信息。“這個(gè)概念在量子力學(xué)中是一個(gè)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。”許小冶說，和量子強(qiáng)測(cè)量中定義可觀測(cè)量的期望值一樣，可觀測(cè)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(cè)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。

　　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(duì)在2013年基于弱值實(shí)現(xiàn)阿秒量級(jí)的高精度時(shí)間延時(shí)測(cè)量，以及最近實(shí)現(xiàn)糾纏系統(tǒng)波函數(shù)的直接表征。由于弱測(cè)量對(duì)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(cè)量微觀粒子的波姆軌跡，以及觀測(cè)楊氏雙縫中非局域的動(dòng)量傳遞。

　　本體和屬性的分離 

　　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(gè)系統(tǒng)由一個(gè)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(gè)路徑。“我們可以通過對(duì)光子實(shí)施兩組所謂的弱測(cè)量來揭示光子本體和其屬性的分離，其中一組用于測(cè)量光子本體所處的位置，另一組則用于測(cè)量其自旋狀態(tài)，也就是柴郡貓的笑臉的位置，測(cè)量結(jié)果則由弱值描述。”

　　亞基爾·阿哈羅諾夫等人發(fā)現(xiàn)，通過精巧設(shè)置合適的前后選擇態(tài)，就可以展現(xiàn)類似《愛麗絲夢(mèng)游仙境》中柴郡貓與其笑臉分離的現(xiàn)象。具體來說，在干涉儀的上路徑中，對(duì)路徑及條件自旋觀測(cè)量實(shí)施的弱測(cè)量給出相應(yīng)的弱值分別為0和1，也就是說，有一個(gè)沒有貓的笑臉出現(xiàn)在該路徑中。相應(yīng)的，在下路徑中實(shí)施的弱測(cè)量得到的弱值分別為1和0，也就是說，下路徑中出現(xiàn)了一只沒有笑臉的貓。簡而言之，在干涉儀中“量子柴郡貓”和它的笑臉被分開了。

　　在“量子柴郡貓”的概念被提出后不久，來自奧地利維也納科技大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家便利用中子進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)演示。在中子干涉儀中，通過外加磁場(chǎng)，精確調(diào)控其自旋和路徑的量子狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)前選擇態(tài)的制備以及后選擇操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果正如亞基爾·阿哈羅諾夫等人所預(yù)言的那樣，在干涉儀中，中子的自旋總是出現(xiàn)在與其本體位置相反的另一臂。緊接著，美國波特蘭大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家使用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的可預(yù)報(bào)單光子進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)，同樣看到了“量子柴郡貓”現(xiàn)象。

　　笑臉的無接觸交換 

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)的李傳鋒、許金時(shí)、許小冶等人與南開大學(xué)陳景靈教授合作，基于光子的偏振與其本體分離，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)兩個(gè)光子偏振的無接觸交換，揭示了“量子柴郡貓”的獨(dú)特量子特性。

　　“然而，觀察‘量子柴郡貓’的笑臉交換并不容易，這涉及對(duì)多體量子系統(tǒng)弱值提取的難題。”許小冶介紹說，提取弱值的通常做法是引入輔助探針，當(dāng)系統(tǒng)增大時(shí)，所需的耦合過程將會(huì)越來越復(fù)雜。想要實(shí)現(xiàn)光子偏振的無接觸交換，勢(shì)必涉及多個(gè)“量子柴郡貓”，進(jìn)一步在系統(tǒng)中引入額外探針面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。

　　實(shí)驗(yàn)中，研究組首先通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程，制備出不存在經(jīng)典描述的雙光子超糾纏態(tài)。在這種狀態(tài)下，兩個(gè)光子的偏振和路徑自由度分別處于最大糾纏態(tài)，但是兩個(gè)維度之間處于毫無關(guān)聯(lián)的直積狀態(tài)。進(jìn)一步通過在某些路徑上施加自旋操作，將雙光子制備到特定圖態(tài)，完成前選擇態(tài)的制備。隨后在光路中引入虛時(shí)演化，實(shí)現(xiàn)對(duì)光子路徑和自旋的弱測(cè)量。最后進(jìn)行一種被稱為聯(lián)合貝爾態(tài)測(cè)量的操作，完成對(duì)系統(tǒng)的后選擇。通過對(duì)不同的微擾種類和演化時(shí)間下的光子探測(cè)效率分析，就可以進(jìn)一步獲得光子的路徑和偏振可觀測(cè)量的弱值。這些弱值表明，實(shí)驗(yàn)中的兩光子都展現(xiàn)出本體和屬性分離的“量子柴郡貓”現(xiàn)象。

　　該研究成果展示了量子世界中物質(zhì)與其屬性的靈活多變的關(guān)系，是理解量子力學(xué)基礎(chǔ)問題的重要進(jìn)展，對(duì)探索微觀粒子的性質(zhì)在接受測(cè)量之前是否具有實(shí)在性具有啟發(fā)意義，將對(duì)量子力學(xué)基礎(chǔ)問題的研究起到重要推動(dòng)作用。

　　（原載于《光明日?qǐng)?bào)》 2020-07-15 08版）