量子擦除并不改寫過去——它改寫的只是觀察者

中國科學院半導體研究所&中國科學院大學 金緣德、馬穩(wěn)龍. 編譯自Maria Violaris.

Physics World

本文選自《物理》2025年第9期

我常常想象，2125年

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如果真有幸讀到那本雜志，或許你還會有點失望：你只能讀到你的文本投影到的那篇文章。問題在于，你通過閱讀讓關于每個字母的信息都被復制進了你的記憶，進而這個“多文章的疊加態(tài)”發(fā)生了退相干。那么，有沒有辦法把別的文章也讀出來？畢竟，能看到更多的

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一個可能的設想是：也許你能通過抹去剛才的記憶來恢復文本的相干性。一旦不再保留那一篇被選中的文章信息，文本就沒有繼續(xù)保持單一退相干態(tài)的理由，于是你可以重新閱讀，得到另一篇文章。

盡管這個思想實驗聽起來頗具魔幻色彩，其概念卻與著名的雙縫實驗的變體存在著驚人的關聯(lián)，即被稱為具有延遲選擇的量子擦除實驗。該實驗常被宣稱展現(xiàn)出顛覆性的現(xiàn)象：當下進行的測量竟能改變過去發(fā)生的事件。但即便在以離奇著稱的量子領域，真有如此戲劇性的結論嗎？

雙縫實驗上的兩次轉折

在標準雙縫實驗中，光子一個接一個穿過兩條狹縫，在屏幕上形成干涉條紋，顯示出光的波動性。但若在狹縫處放一個能分辨光子具體穿越哪條縫的探測器，干涉就會消失，屏幕上出現(xiàn)兩個亮斑，呈現(xiàn)粒子性。關鍵在于：獲得路徑信息會改變光子的量子態(tài)——從波動式的干涉，變?yōu)榱Ｗ邮降膱F簇。

這個思想實驗的第一次轉折源自惠勒在1978年的提議，以及之后他與Wojciech Zurek在1983年的合作：把路徑測量延遲到光子快到屏幕時再做。有趣的是，即便測量發(fā)生在光子通過狹縫之后，它仍然決定我們最終是否看到波動性或粒子性。也就是說，延遲的探測仍然決定該光子是否會與自己發(fā)生干涉。

如果這還不夠奇怪，那么延遲選擇的量子擦除作為這個思想的變體，成為了第二次轉折：如果記錄路徑時會導致退相干，那么擦除這些信息又會如何？設想把探測器考慮為一個與光子糾纏的量子比特：光走左縫對應量子比特為0，右縫為1。此時我們不在0/1基下讀出它(那會顯露路徑)，而是在互補基下測量，使0與1“隨機化”，從而抹去路徑信息。

有意思的是，盡管屏幕上的總體圖像仍呈現(xiàn)出類似粒子的亮斑，但只要對其做互補基測量，我們就能抽取出波動性的干涉圖樣。其機理是一個分類與篩選的過程：互補測量有兩種可能的結果，我們用這兩個結果將屏幕上的探測事件分為兩組；把兩組分別作圖，每一組都各自出現(xiàn)明暗相間的條紋，這就像戴上紅藍兩色鏡片的3D眼鏡，各自顯出一幅獨立的條紋圖像；而摘下眼鏡(把兩幅相加)則完全看不出干涉。

量子擦除實驗。用單個鏡片(分別用兩個基)來觀測，各自顯出一幅獨立的條紋圖像；而摘下眼鏡(或是戴上兩個鏡片，將兩幅相加)則完全看不出干涉

是改寫過去，還是改寫敘事？

擦除信息似乎讓我們把已成“粒子”的光子又“修復”為“波”。這聽上去確實離譜。不過，英國紐卡斯爾大學的量子物理學家Jonte Hance強調：關鍵不是“逆因果”，而是兩幅條件篩選得到的干涉圖如何相加，才會恢復為那張熟悉的退相干圖。“它們看起來彼此不能拼在一起，” Hance解釋說，“但實驗恰恰在表明，通過糾纏得到的那些關聯(lián)，必須能與一切你可能采取的測量方式相容。” 因此，這些結果揭示的，是量子理論的一個耐人尋味的方面——量子關聯(lián)的豐富而反直覺的結構是源于糾纏，而不是過去的影響。

葡萄牙伊比利亞國際納米實驗室的 Lorenzo Catani 指出，提出延遲選擇的惠勒本人，并不支持“逆因果”的解讀。在這段思想實驗的歷史敘述中，惠勒給出的結論更像是“我們必須放棄某種類型的實在論”——也就是過去可以獨立于當下記錄而存在的觀念。據(jù)我所知，只有少數(shù)研究者把該實驗解讀為支持“逆因果”的證據(jù)。

量子擦除 vs 貝爾：離奇與更離奇

因“逆因果”爭議而困惑的，還有奧地利因斯布魯克大學的Johannes Fankhauser。他意識到，量子擦除的裝置可以轉化為一個非常標準的貝爾實驗。這些實驗基于兩比特糾纏，旨在排除局域隱變量模型。由此他看到，根本不需要用“時間倒流的影響”來解釋量子擦除，因為與之相關的貝爾實驗并不需要這種解釋。接著，他又用德布羅意—玻姆的量子理論詮釋來分析量子擦除：在這種把波函數(shù)視為物理實在的圖景下(粒子受“領航”波引導)，量子擦除的實驗結果可以完全在不考慮時間倒流影響的前提下解釋。

這是否意味著量子擦除實驗除了貝爾實驗已告訴我們的信息之外，別無新意？也不盡然。Fankhauser認為，量子擦除擰動的是另一組旋鈕。它追問的是：“測量意味著什么？”，“何時我們才可以說系統(tǒng)具有某種屬性？”這些仍是開放的問題。

另一方面，Catani 在2023年的研究中給出了一個有啟發(fā)性的對比：他提出了一個經典物理的模型，但加了一個附加條件——對底層物理態(tài)的可知性施加限制。結果顯示，在這種經典框架里，量子擦除的統(tǒng)計結果可以被復現(xiàn)；但貝爾實驗的統(tǒng)計違背卻無法被復現(xiàn)。由此可見，僅僅對物理態(tài)的知識不完備不足以解釋貝爾現(xiàn)象，貝爾所呈現(xiàn)的“非經典性”更強；相形之下，量子擦除中的逆因果敘事更多依賴于一種特定的敘事方式，這也就更容易滋生悖論的觀感。

路徑信息如何消除？傳統(tǒng)考慮的探測器在0/1基(

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把量子擦除當作一個腦筋急轉彎

多數(shù)物理學家同意：量子擦除在數(shù)學上與標準量子論框架完美契合。但Hance也提醒，形式化推導不是全部：“我們需要深入剖析這一現(xiàn)象，不僅要審視數(shù)學假設，更要建立直觀認知，從而真正探索量子特性的本質。”Hance持續(xù)分析該思想實驗中不同假設的物理影響，其2021年與量子擦除悖論合作者發(fā)表的預印本中探討了若干可能性。就此而言，量子擦除為理解量子關聯(lián)如何以經典物理學無法描述的方式相互匹配提供了工具。“這是一種絕佳的思維輔助工具——既是腦筋急轉彎，又是對這種怪異現(xiàn)象本質的演示。”

信息、觀察者與量子計算機

不同研究者從量子擦除里讀到的內容各不相同：有人借助它聚焦被測系統(tǒng)屬性的開放難題；有人從中吸取數(shù)學表述要嚴密的歷史教訓；也有人樂于把它當作一個必須被疏通的反直覺謎題。對少數(shù)偏離主流路徑的人來說，它甚至依然帶著某種過去被未來影響的味道。

就我個人而言，量子擦除的最大啟示在于它清楚地說明：在雙縫實驗里，哪怕僅僅一次兩比特糾纏，都足以造成退相干，無論日后你是否去讀出那個量子比特。換句話說，不需要某個神秘的宏觀觀察者來觸發(fā)坍縮。這也解釋了為什么建造量子計算機如此困難：哪怕與一個粒子發(fā)生了不受控的微弱糾纏，整個計算都可能坍縮成隨機態(tài)而失敗。

回到我們“200周年特刊”讀者的未來寓言：僅靠抹除記憶，并不足以恢復文章的量子行為，即選出的那一篇不可能被“改寫”。不過，按照量子擦除的協(xié)議，這些未來讀者至少還能做一件勝過調皮編輯的事：他們可以對記憶做一組互補測量，并據(jù)此把文章分類篩選成兩篇更小的“個體文章”，各自展示出原本隱藏的量子糾纏結構。即便不能用量子擦除去“改寫過去”，或許它能改寫你將要讀到的未來。

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