在量子世界，猫猫甚至可以玩弹珠机！

让我们聚焦于那些“怪异”的量子效应——在它们面前，量子叠加与量子纠缠都显得近乎寻常。尤利娅・乔治斯库（Iulia Georgescu）深入兔子洞般的科学秘境，带我们揭开量子柴郡猫的神秘面纱。

▲图片来源：Shutterstock/aleksandr polle

大多数人都听过薛定谔的猫，但量子物理的“动物园”里并非只有这一只猫科动物。量子柴郡猫或许不那么广为人知，但其行为却更颠覆我们经典世界的常识。

这些量子猫咪得名于刘易斯·卡罗尔（Lewis Carroll）所著《爱丽丝梦游仙境》中的柴郡猫形象——它消失后仅留下笑容。正如爱丽丝惊叹：“我见过许多没有笑容的猫，却从未见过脱离猫而存在的笑容！这是我一生中见过最离奇的事！”

量子世界里的怪事更胜一筹：粒子的属性似乎与其本体处于不同的位置。例如，光子的偏振可能存在于完全没有光子的地方。这就是量子柴郡猫。

尽管脱离实体的属性听起来令人不安，但这是解读量子力学精妙预言的一种方式。亚基尔·阿哈罗诺夫（Yakir Aharonov），桑杜·波佩斯库(Sandu Popescu)，丹尼尔·罗利希（Daniel Rohrlich）和保罗·斯克日普恰克（Paul Skrzypczyk）于2013年在《新物理学杂志》(New J. Phys. 15 113015)发表的论文中首次提出量子柴郡猫概念时，正是基于这样的思考。

测量的强度

要理解这一概念，需明确对量子系统的测量会使其“坍缩”为某一本征态——就像打开盒子时，薛定谔的猫非死即活。然而，通过平衡测量强度与结果的不确定性，我们可以在尽可能少干扰系统的同时获取微量信息。若对粒子系综进行多次此类测量并取平均值，便可得到一个精确结果。

这种通过"温和探测"从量子系统中提取信息的方法于20世纪80年代首次提出，被称为弱测量（weak measurement）。正如波佩斯库所言，弱测量本身看似并未偏离量子形式体系，却"开启了一个全新的世界"。事实上，阿哈罗诺夫及其合作者四十年来持续探索弱测量引发的意外结果，量子柴郡猫正是他们研究中偶然发现的现象之一。

在2013年的论文中，阿哈罗诺夫团队设想了一个简单的光学干涉仪装置："猫"是可处于左臂或右臂路径的光子，而"笑容"对应光子的圆偏振属性。首先，将“猫”（光子）制备为某种特定的叠加态，这一过程称为前选择。光子进入装置后，可从多个出口出射。研究发现，当光子通过后选择从某一特定出口出射时，粒子与其属性的分离现象便会显现。

在光子处于干涉仪的过程中（前选择与后选择之间），研究人员对其属性进行弱测量——这类测量需通过多次重复获取平均值。在特定的前后选择条件下，会出现光子位于左臂而其圆偏振属性出现在右臂的现象，宛如柴郡猫与其笑容分离。

这一奇特现象的数学描述清晰明确，但其物理诠释却显得荒诞离奇。原文历经一年多的同行评审，发表后仍引发争议。不久后，针对偏振中子（《自然·通讯》5 4492）和光子（《物理评论A》94 012102）的实验对原研究团队的理论模型进行了验证，但争论并未就此平息——归根结底，核心分歧在于对现象的诠释而非现象本身。

概率的量子

为理解这一令人困惑的概念，可将前后选择装置类比为弹珠机——弹珠从顶部单一的前选择槽口出发，经多重障碍后落入特定的后选择槽口（即头奖孔）。通过统计落入孔中的弹珠数量，即可推算概率分布。在经典物理场景中，若使用相机等设备测量弹珠在不同位置的状态与属性，并不会对其运动轨迹或中奖概率产生影响。

在经典场景下，这种观测不会影响弹珠的运动轨迹或头奖概率。而在量子版弹珠机中，前后选择机制等运作原理类似，区别在于弹珠可被制备为叠加态。由于弱测量不会干扰系统，因此可通过多次测量推断特定结果的概率分布。此时，测量结果不再是对应系统物理属性的本征值，而是弱值，且对其诠释尚无定论。

▲粒子属性分离示意图。量子柴郡猫现象是一种奇特的物理现象，指量子粒子的属性可完全脱离其本体。例如，光子的偏振可能存在于没有光子的位置。在此示意图中，我们将量子柴郡猫（光子）置于弹珠机模拟场景内，根据特定的前后选择条件，"猫"（光子）最终出现在探测器某一臂，而"笑容"（偏振）则出现在另一侧的椅子上。（插图来源：Mayank Shreshtha）

从量子理论的视角理解这一现象，我们需要借助直观的思维图景 —— 即便这种图景存在局限性。这正是 "量子柴郡猫" 作为有力隐喻的价值所在：它不仅是一种形象化的类比，更能为研究者指引新的探索方向。事实上，自该现象首次被发现以来，阿哈罗诺夫、波佩斯库及其团队已陆续揭示出更多令人振奋的新发现。

2021年，研究团队将量子柴郡猫效应推广至动态场景——"脱离实体"的属性可在空间中传播（《自然·通讯》12 4770）。例如，可能存在无载体的角动量流（《物理评论A》110 L030201）。另一项拓展研究中，阿哈罗诺夫提出一种质量粒子的分离测量设想：在某位置可测得其质量而无动量，在另一位置可测得其动量而无质量（《量子》 8 1536），验证该效应的思想实验需用到马赫-曾德尔干涉仪，结合移动反射镜与分束器实现。

引发争议的解释

若你对这些概念感到困惑，不必孤单。英国纽卡斯尔大学量子基础领域研究者乔恩特·汉斯（Jonte Hance）表示："它们就是脑筋急转弯。"他认为，量子柴郡猫是激发公众关注量子力学基础问题的绝佳切入点。

“物理学家们过于忙于将量子力学应用于各类问题，无暇顾及基础问题。”

诚然，量子物理早期曾有尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）与阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的著名论战，这场争论最终以1935年发表的的爱因斯坦 - 波多尔斯基 - 罗森（EPR）佯谬（《物理评论》47 777）的批判为高潮。但此后，物理学家忙于将量子力学应用于各类具体问题，无暇顾及基础问题。

这种对量子力学基础问题的忽视，在两则轶事中体现得淋漓尽致。第一则轶事与阿哈罗诺夫本人相关：20 世纪 50 年代，他在以色列理工学院攻读物理学时，曾向内森・罗森（Nathan Rosen，EPR 中的 "R"）请教量子力学基础研究的方向。然而，该研究方向当时被视为极不合时宜，甚至有学者建议他转向应用领域。所幸阿哈罗诺夫并未听从该建议，后来与美国量子理论家大卫・玻姆（David Bohm）开展了合作研究。

另一则轶事与阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）有关：1975年，他前往欧洲核子研究中心（CERN）向物理学家约翰·贝尔（John Bell）请教验证贝尔不等式以解决EPR佯谬的实验计划。Bell的第一个问题竟并非关于实验细节，而是直接询问阿佩斯是否拥有固定职位（《自然·物理》3 674）。所幸阿佩斯当时已有职位保障，得以开展这项实验——该实验后来为他赢得了2022 年诺贝尔物理学奖的共同获奖资格。

随着量子计算与量子信息的兴起，量子基础研究在21世纪10年代初迎来了一轮短暂的复兴。但近十年间，随着量子物理学的诸多领域相继实现商业化成果转化，研究重心再次明确转向应用领域。

尽管科普作品不断强调量子力学的"怪异"，物理学家却常秉持务实的"闭嘴计算"态度。汉斯指出："研究者往往忘记量子力学有多奇怪，而我认为需要保持这种'怪异感'的直觉。"的确，诸如薛定谔的猫、EPR佯谬等悖论，不仅吸引和启发了几代物理学家，更在量子技术的发展进程中起到了关键推动作用。

量子柴郡猫及相关悖论的意义，在于挑战我们的直觉，促使我们跳出固有的思维框架。即便这类研究的前景尚未清晰可见，其价值仍至关重要。正如波佩斯库所言："多数人认同，尽管我们掌握了量子力学基本定律，却尚未真正理解其本质。"

阿哈罗诺夫团队的目标，是建立能够引领前沿探索的正确直觉。波佩斯库补充道："我们坚信能找到理解量子力学的直观方式。"至于这一过程是否需要"猫咪"的参与，或许并非关键。

网站来源：https://physicsworld.com/a/curiouser-and-curiouser-delving-into-quantum-cheshire-cats/

编译：郑文楚

审核：郭彦良