知识分子2016-03-21 07:08:50基础物理阅读
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文｜南物
南京大学物理学院、固体微结构国家实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心的马小松教授课题组与德国马克斯普朗克量子光学研究所和奥地利维也纳大学团队合作，第一次总结了近100年来量子延迟选择实验的发展历程。综述的内容涵盖从爱因斯坦开始的理论萌芽，到最新的实验进展与成果。这项研究目前已经在物理学界最权威的综述型期刊《现代物理评论》（Reviews of Modern Physics，五年影响因子51.324）最新一期上发表。
研究在线发表页面截图
从十七世纪开始，科学的发展和对光的本质的研究就紧密地联系在一起。牛顿(Isaac Newton)曾断言光是由粒子组成的；和他同时代的著名科学家惠更斯(Christiaan Huygens)持不同观点——他认为光的本质是波动。现代的量子物理学家认为，两者的观点都是正确的。光既可以被视为粒子，也可以被视为波。光的这两种不同特征会在物理实验中不同程度地表现出来，它取决于光的哪一种性质在实验中被测量。这种“波粒二象性“是量子力学最基础的原则之一。它挑战着人类的常识认知：一种物质是否可以同时具有两种相互冲突的性质？
二十世纪七十年代，美国的物理学家惠勒(John Archibald Wheeler)将这种量子力学中的最本质的不确定性比作“烟雾缠绕的巨龙” （Great Smoky Dragon）：人们可以看到巨龙的尾巴，它是粒子产生的源头；也可以看到巨龙的头，它是实验测量的结果。但是巨龙的身体却是被烟雾缠绕着的，并且人们永远无法驱散这些烟雾：实验测量的方式决定实验所研究的现象。为了具象地展示这种物理概念，惠勒提出了著名的延迟选择思想实验。在这个思想实验中，对粒子性和波动性的界定被延迟到了测量阶段。因此，光子在实验中既能表现粒子性，又能表现出波动性。事实上，取决于测量的时间和方式，光也可以同时以这两种形态存在。
在过去的几十年间，量子物理学家们一直试图在实验上实现惠勒的理想实验，从而使波粒二象性有确实的实验依据。南京大学的马小松教授，普朗克量子光学研究所的Johannes Kofler，以及量子光学与量子信息研究所、维也纳大学量子科学与技术中心（奥地利）的Anton Zeilinger通过研究，总结了延迟选择实验的发展历程，并展现了物理学家在验证延迟选择实验这一领域已经取得的巨大成功。
尽管波粒二象性起源于爱因斯坦在1905年对光电效应的光子理论解释，直到最近，一系列延迟选择实验才在实验中实现。这篇综述的第一作者，南京大学的马小松说到:“随着实验技术的飞速发展，快速精确的单粒子量子态测量得以实现，这使得许多在量子物理发展过程中被激烈讨论过的理想实验最终得以实现。”
维也纳大学的Anton Zeilinger说到：“这类实验挑战着我们对于量子世界的认知，在量子通信中和量子计算中有着广泛的应用前景。” 延迟选择实验和量子纠缠密切相关，在解决量子通信中的安全性问题中有着至关重要的影响。另一方面，延迟选择可以在特定情形下提升量子计算机的运算速率。这篇综述的作者们期望延迟选择实验一方面继续对量子物理基础的发展提供新的视角，另一方面也能够推动量子信息处理的发展及应用。
该项研究得到了青年千人计划、欧盟居里夫人基金等资助。
Publication
Delayed-choice gedanken experiments and their realizations. Xiao-song Ma, Johannes Kofler, Anton Zeilinger. Rev. Mod. Phys. 88, 015005 (2016)
http://link.aps.org/doi/10.1103/RevModPhys.88.015005
马小松课题组主页：
http://qoqi.nju.edu.cn/
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延迟实验
“延迟实验”是由爱因斯坦的同事约翰·惠勒提出的，1979年为纪念爱因斯坦诞辰100周年而在普林斯顿召开了一场讨论会，会上约翰·惠勒提出了“延迟实验”的构想，惠勒通过一个戏剧化的思维实验指出，对电子的双缝干涉进行了进一步思考，并指出我们可以“延迟”电子的决定，使得它在已经实际通过了双缝屏幕之后，再来选择究竟是通过了一条缝还是两条。此种说法震惊当时的学术界。
目录
1 提出过程
2 基本思路
3 经典实验
提出过程
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1979年是爱因斯坦诞辰100周年，在他生前工作的普林斯顿召开了
一次纪念他的讨论会。在会上，爱因斯坦的同事，也是玻尔的密切合作者之一约翰·惠勒（John Wheeler）提出了一个相当令人吃惊的构想，也就是所谓的“延迟实验”（delayed choice experiment）。我们已经对电子的双缝干涉非常熟悉了，根据哥本哈根解释，当我们不去探究电子到底通过了哪条缝，它就同时通过双缝而产生干涉，反之，它就确实地通过一条缝而顺便消灭干涉图纹。
基本思路
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实验的基本思路是，用涂着半镀银的反射镜来代替双缝。一个光子有一半可能
通过反射镜，一半可能被反射，这是一个量子随机过程，跟它选择双缝还是单缝本质上是一样的。把反射镜和光子入射途径摆成45度角，那么它一半可能直飞，另一半可能被反射成90度角。但是，我们可以通过另外的全反射镜，把这两条分开的岔路再交汇到一起。在终点观察光子飞来的方向，我们可以确定它究竟是沿着哪一条道路飞来的。
但是，我们也可以在终点处再插入一块呈45度角的半镀银反射镜，这又会造成光子的自我干涉。如果我们仔细安排位相，我们完全可以使得在一个方向上的光子呈反相而相互抵消，而在一个确定的方向输出。这样的话我们每次都得到一个确定的结果（就像每次都得到一个特定的干涉条纹一样），根据量子派的说法，此时光子必定同时沿着两条途径而来！
总而言之，如果我们不在终点处插入半反射镜，光子就沿着某一条道路而来，反之它就同时经过两条道路。问题是，是不是要在终点处插入半透镜，这可以在光子实际通过了第一块反射镜，已经快要到达终点时才决定。我们可以在事情发生后再来决定它应该怎样发生！如果说我们是这出好戏的导演的话，那么我们的光子在其中究竟扮演了什么角色，这可以等电影拍完以后再由我们决定！
虽然听上去古怪，但这却是哥本哈根派的一个正统推论！惠勒后来引玻尔的话说，“任何一种基本量子现象只在其被记录之后才是一种现象”，我们是在光子上路之前还是途中来做出决定，这在量子实验中是没有区别的。历史不是确定和实在的——除非它已经被记录下来。更精确地说，光子在通过第一块透镜到我们插入第二块透镜这之间“到底”在哪里，是个什么，是一个无意义的问题，我们没有权利去谈论它，它不是一个“客观真实”！惠勒用那幅著名的“龙图”来说明这一点，龙的头和尾巴（输入输出）都是确定的清晰的，但它的身体（路径）却是一团迷雾，没有人可以说清。
在惠勒的构想提出5年后，马里兰大学的卡洛尔?阿雷（Carroll O Alley）和其同事当真做了一个延迟实验，其结果真的证明，我们何时选择光子的“模式”，这对于实验结果是无影响的（和玻尔预言的一样，和爱因斯坦的相反！），与此同时慕尼黑大学的一个小组也作出了类似的结果。
这样稀奇古怪的事情说明了什么呢？
这说明，宇宙的历史，可以在它实际发生后才被决定究竟是怎样发生的！在薛定谔的猫实验里，如果我们也能设计某种延迟实验，我们就能在实验结束后再来决定猫是死是活！比如说，原子在1点钟要么衰变毒死猫，要么就断开装置使猫存活。但如果有某个延迟装置能够让我们在2点钟来“延迟决定”原子衰变与否，我们就可以在2点钟这个“未来”去实际决定猫在1点钟的死活！
这样一来，宇宙本身由一个有意识的观测者创造出来也不是什么不可能的事情。虽然宇宙的行为在道理上讲已经演化了几百亿年，但某种“延迟”使得它直到被一个高级生物所观察才成为确定。我们的观测行为本身参予了宇宙的创造过程！这就是所谓的“参予性宇宙”模型（The Participatory Universe）。宇宙本身没有一个确定的答案，而其中的生物参予了这个谜题答案的构建本身！
经典实验
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John Archibald Wheeler是那些认真考虑过量子力学的人之一。在研究了哥本哈根对双缝实验的解释---强调观察者知道的和观察者何时知道---之后，惠勒认识到观察者的选择可能会控制那些到实验中的变量。
“如果你说的是真的”惠勒说（事实上），“那么我会在一件事情可能已经发生后再选择知道一个特性”惠勒意识到在这种情况下，观察者的选择可能会决定实验的结果---而无论是否实验的结果在逻辑上已经在一段时间以前被决定。
“没有意义”简化主义者们说。“垃圾”唯物主义者们说。“完全荒谬”幼稚的现实主义者们说。“是的”数学家们说。惠勒的思想实验和量子力学的预言被带到了实验室中，接受实践的检验。一下就是所发生的。
基本延迟实验（Basic delayed choice）
1. 一个光子（或者一个其他量子单位）被向双缝发射。
2. 此光子不被观察地从双缝中穿过，逻辑上，或者穿过双缝中的一个，或者穿过另一个，或者穿过两个。为了得到干涉图 样，我们假设有某种东西一定穿过了双缝；为了了解粒子的分布情况，我们假设此光子一定穿过了双缝中的一个。无论此光子怎样运动，它都被假定在穿过的时候只穿过一个缝。
3. 在穿过缝之后，光子就会朝着后墙飞去。
4. 在后墙上，我们有两种分别的方法来探测此光子。
5. 第一，我们有一个测量屏幕（或者其他可以测量光子打击到后幕上的水平位置，但是却不能区分光子从哪个方向飞过来的探测系统）。这个测量屏幕可以移动，如图上虚线所描述的那样；并且它还可以很快速的移动，即它可以在光子通过狭缝之后但是接触到后幕之前快速移动，即光子在图上区域3移动时测量屏幕就可以进行相应移动已测量光子。或者，测量屏幕可以适当地离开。这种离开是实验者的决定，这个决定直到光子已经通过狭缝后才被作出。
6. 一旦我们屏幕被去掉（此处的去掉不是屏幕的移动，而是在光子已经到了区域3时我们决定不使用屏幕，而是改用测量镜头），那么我们启动两个观测镜头。镜头紧密地聚焦，观察，观测两个狭缝之一之后的狭小空间。左边的镜头观测左边的狭缝，右边的镜头观测右边的狭缝。（在这里镜头的作用是确保如果此光子全部或者部分地从观察狭缝穿过时，你通过相应的镜头观测此狭缝的时候，你就会看见亮光，这样的话你就得到了关于光子究竟通过那个狭缝的信息。）
光子已经在区域3了，即光子已经穿过狭缝了。此时，继续使用测两屏幕进行光子干涉实验---我们仍可以选择适当移动测量屏幕，在此情况下，我们不知道 光子穿过的是那条狭缝。
改用测量镜头测量光子的粒子行为----或者我们选测去掉测量屏幕。如果我们这样做就会立即启动测量镜头，我们将会预计在左右两个镜头之一之中会有亮光，（或者两个镜头都会同时看见，但是我们预计这种情况不会发生）为什么?因为此光子必须通过或者左边，或者右边，或者两边的狭缝进入区域3。这就是所有的可能性。当我们通过镜头观察双缝，必定或看到以下情况之一:
在左边的镜头中有亮光，而右边的镜头没有，这表明了光子从左边的狭缝进入区域3的。
在右边的镜头中有亮光，而左边的镜头没有，这表明了光子从右边的狭缝进入区域3的。
两边的镜头同时都有半强的亮光，这表明了光子同时从双缝穿过。
哲学就是全部的可能性。
基于对观测屏幕的观察，量子力学告诉我们我们得到了什么：Pattern4r，其图案与由两列对称波分别通过各自狭缝所造成的干涉图像极其相似。
基于对镜头的观察，量子力学告诉我们我们得到了什么:Pattern5r，其完全相似于粒子从源处过来，通过这个或者那个狭缝，形成的亮光，并且在镜头中被我们观察到了。
考虑不同的实验观测方式造成的不同结果—在光子已经进入区域3时，如果我们决定适当地移动测量屏幕，则我们会得到光子的波动性质的结论。；另一方面，如果我们此时去掉测量屏幕而改用测量镜头的话，我们就会得到光子的粒子效应的结论。
In summary, we have chosen whether to know which slit the particle went through, by choosing to use the telescopes or not, which are the instruments that would give us the information about which slit the particle went through. We have delayed this choice until a time after the particles "have gone through one slit or the other slit or both slits," so to speak. Yet, it seems paradoxically that our later choice of whether to obtain this information determines whether the particle passed through one slit or the other slit or both slits, so to speak. If you want to think of it this way (I don't recommend it), the particle exhibited after-the-fact wave-like behavior at the slits if you chose the screen; and it exhibited after-the-fact particle-like behavior at the slits if you chose the telescopes. Therefore, our delayed choice of how to measure the particle determines how the particle actually behaved at an earlier time.
Source: Wheeler's Classic Delayed Choice Experiment
by Ross Rhodes
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本帖最后由 druid169 于 2016-4-16 12:06 编辑 ]
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