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1999年，马里兰大学巴尔的摩县分校的一组物理学家将激光射入晶体，从而改变了我们对时间的认知方式。这可能是你听过的版本。而且它是错误的。但真相，实验室里实际发生的事情的结果，可能比时间旅行更难接受。以下是他们所做的。他们取了一个光子，将其分成两个纠缠的孪生子，并将这两个孪生子送往不同的路径。一个孪生子立即击中了一个探测器。另一个孪生子走了一条更长的路线，大约长2.5米，这意味着它晚到了大约八十亿分之一秒。在这段额外的旅程中，第二个孪生子面临一个选择。一个分束器会保留关于第一个孪生子走了哪条路的的信息，或者完全抹去这些信息。这个决定发生在第一个孪生子已经被探测并记录下来之后，已经完成，已经成为过去。然而，当物理学家整理他们的数据时，第一个孪生子的行为似乎根据后来第二个孪生子发生的事情而改变。其伴侣的路径信息被抹去的光子表现出干涉。波的特征。其伴侣保留其路径信息的 the photons 表现出无干涉。粒子的特征。第一个孪生子似乎在被记录之前就知道它未来的伴侣会发生什么。如果这听起来像是未来伸出手来改写过去，你并不孤单。成百上千的YouTube视频、科普书籍甚至一些物理学家都做出了同样的断言。但他们错了。他们之所以错，是因为这揭示了关于现实的一些东西。也就是说，如果你足够长地去思考它，它会比时间倒流更奇怪。要理解巴尔的摩县实验室里实际发生了什么以及为什么它很重要，我们需要回到大约220年前，回到伦敦的一位医生，他与艾萨克·牛顿的幽灵搏斗并失败了，然后却被证明是正确的。托马斯·杨本不该革新物理学。他是一名医生，19世纪初伦敦的一位执业医生，有病人名单和医学学位，完全没有理由推翻一个世纪以来已确立的科学。但杨有一个很多聪明人都有的问题，那就是他无法停止对事物产生兴趣。到14岁时，他已经自学了希腊语、拉丁语、法语、意大利语、希伯来语、阿拉伯语、波斯语、土耳其语、叙利亚语和一种名为盖斯语的埃塞俄比亚语。后来，他对解读罗塞塔石碑做出了关键贡献。他研究了人眼，并提出了第一个色觉理论。他精确地计算了材料的弹性特性，以至于刚度的基本测量值仍被称为杨氏模量。这个人遇到问题就想解决。而在1801年，困扰他的是光。当时，艾萨克·牛顿的光学理论不仅占主导地位。它基本上是神圣的。牛顿1704年出版的光学著作将光描述为微小粒子流，他称之为“微粒”，沿直线传播。克里斯蒂安·惠更斯早在1690年代就提出了一个竞争性的波动理论。但牛顿的声望如此之高，以至于惠更斯的想法在一百年里几乎被埋没了。在1801年质疑牛顿的光学，大致相当于在1960年质疑爱因斯坦的相对论。你可以这样做，但你最好是对的，而且你最好有证据。杨有证据。他的实验 deceptively 简单。他取了阳光，让它穿过一个微小的针孔，形成一个相干光源，然后将这个相干光束对准一个带有两个狭缝的屏障。在屏障后面，他放了一个屏幕。在屏幕上，他看到了牛顿的粒子理论无法解释的东西。明暗相间的条带。来自两条狭缝的波同步到达并相互增强的地方是明亮的条带。它们不同步到达并相互抵消的地方是黑暗的条带。这就是干涉。当你向池塘里扔两块鹅卵石，看着涟漪模式重叠时，就会发生这种情况。峰值与峰值相遇，形成更大的峰值。峰值与波谷相遇，形成平坦的水面。杨正在观察光像水波一样表现。他在1803年皇家学会的贝克里安讲座中展示了他的发现，写道：“来自附近中心的两个相等波列，在某些点上可以看到它们相互抵消，而在其他点上可以看到它们加倍。”他甚至估计了不同颜色的波长。他测量的黄光值换算成现代单位是576纳米。如今公认的值是577纳米。他比其他人早两个世纪，在测量尺度上只差一纳米。科学界因此摧毁了他。亨利·布罗姆匿名在《爱丁堡评论》上发表了三篇独立的攻击文章，时间在1803年至1804年之间。他称杨的作品“一文不值”。他嘲笑“永恒的杨博士那肥沃却无果的头脑”。一位曾同意印刷杨的讲座的出版商在压力下退出了。杨基本上完全放弃了光学，退回到医学和埃及学领域。直到1816年左右奥古斯塔·让·菲涅尔对波动理论的独立数学处理以及1860年代詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的电磁理论，才完全证实了杨在那个阳光明媚的伦敦实验室里所展示的东西。杨认为建立光的波动理论是他最重要的成就。他是对的。但无论是他还是1803年活着的人，都无法想象当他简单的实验在一百年后被重复，并加入一个关键的修改时会发生什么。如果你一次只发送一个光子呢？想想杨的实验意味着什么。如果光是由粒子组成的，如果你用机关枪射击一个有两个孔的墙壁，你会在后面的墙上得到两簇弹孔。你不会得到干涉图案。子弹是粒子。它们会穿过一个孔或另一个孔。它们不会相互干涉。所以，如果光是由粒子（光子）组成的，你将它们送过两条狭缝，你应该在后面的屏幕上看到两个明亮的斑块，没有干涉，没有交替的条带，只有两个斑点。但这并不是发生的事情。1909年，剑桥大学的杰弗里·英格拉姆·泰勒着手测试这一点。他将光源衰减到他所描述的“一英里多一点距离燃烧的蜡烛”的等效强度。在这种强度下，在任何给定时刻，设备内存在的the photons 少于一个。没有一群光子可以相互干涉。每个光子都是孤独的。泰勒将感光板曝光长达3个月，以积累足够的数据。干涉图案与全强度光产生的图案完全相同。这启发了保罗·狄拉克在《量子力学原理》中著名的论断。“每个光子只与自身干涉。”想一想。一个单一的光子，一个单一的光粒子穿过两条狭缝，并且在另一边以某种方式与自身干涉，就好像它同时穿过了两条狭缝一样。就好像一颗子弹射击一个有两个孔的墙壁，以某种方式同时穿过两个孔，并在另一边击中自己。但最令人震惊的视觉演示是在80年后，也就是1989年，在日本日立高级研究实验室。赤明俊明和他的同事们使用一种称为电子双棱镜的设备，该设备在功能上等同于双缝，一次将单个电子送入设备。这些是50,000电子伏的电子，以接近光速的速度移动，通过设备的飞行时间约为11纳秒，每秒约3,000个电子。设备内同时存在两个电子的概率基本上为零。他们在不同阶段记录了结果，这些图像是物理学中最美的图像之一。200个电子后，仍然主要是噪音。也许如果你眯着眼睛看，会有一个微弱的暗示。6,000个电子后，你开始能看到它了。微弱的条带从混乱中浮现。40,000个电子后，图案清晰可见。高低电子密度交替的条带，干涉条纹。140,000个电子后，图案是教科书般的完美。每一个电子都以一个点到达，一个粒子撞击探测器上的特定点。但集体来看，数千个单独的粒子撞击描绘出了波的干涉图案。2002年，《物理世界》的读者投票认为这是物理学中最美丽的实验。它赢得了这个称号。但有一件事应该让你夜不能寐。每个电子都是独自穿过设备的。没有东西可以干涉，但它却干涉了。波的图案不是电子集合的属性。你无法通过说电子相互碰撞或以某种方式相互通信来解释它。每一个电子都单独地携带了落在探测器上每个点的概率。这些概率以一种波状模式分布，只有当足够多的电子着陆以揭示潜在的统计数据时，这种模式才变得可见。理查德·费曼，几乎没有人比他更理解这一点，他在1965年的物理学讲座中直言不讳地说。“它们不像波。它们不像粒子。它们不像云，不像台球，不像弹簧上的重物，也不像你曾经见过的任何东西。”费曼还说，没有人理解量子力学，他是认真的。不是说没有人能做数学。数学完美地工作，但没有人对光子离开源头的那一刻到它击中探测器的那一刻之间实际发生的事情有一个令人满意的画面。数学以非凡的精度告诉你概率。它拒绝告诉你故事。但双缝实验即将变得更加奇怪，因为物理学家作为物理学家，无法抗拒地提出了下一个显而易见的问题。如果一个光子同时穿过两条狭缝，如果你看着它会发生什么？这就是故事的流行版本开始偏离轨道的地方，也是我们需要非常精确地说明实际发生情况的地方。标准的说法是这样的：如果你在狭缝处放置一个探测器来查看光子穿过哪一个，干涉图案就会消失。光子表现得像一个粒子，穿过一个狭缝或另一个狭缝，你会得到两个斑点而不是条纹。移除探测器，干涉就会恢复。光子又开始表现得像波。结论是，正如无数科普视频中所述，观察会使波函数坍缩。观看的行为改变了结果。人们听到“观察”就想到“意识”。他们认为人类的思想以某种方式伸入量子领域，迫使粒子做出决定。这是错误的。意识与此无关。但旧的解释，即为什么探测会破坏干涉，也是不完整的。而要正确理解这一点，对于理解量子擦除器至关重要。传统的解释引用了海森堡不确定性原理。探测器通过与光子相互作用来确定其在狭缝处的位置，必然会对其动量产生随机的扰动。这种动量扰动足以模糊干涉图案。探测扰乱了系统，而扰动破坏了干涉所需的精细相位关系。这种解释是直观的。它在机械上是有道理的。而在1991年，马龙·斯卡利、伯特霍尔德·盖奥尔格、恩格尔特和赫伯特·沃尔特在《自然》杂志上发表了一篇论文，彻底否定了它。斯卡利和他的同事们表明，你可以获得路径信息。你可以在不给光子任何显著动量冲击的情况下确定光子穿过了哪个狭缝。他们的提议使用了原子干涉仪和微小的微波腔。一个原子穿过一条狭缝会在一个腔中留下一个光子。一个原子穿过另一条狭缝会在另一个腔中留下一个光子。路径信息存储在原子受扰动的动量中，而不是存储在腔的状态中。原子本身几乎没有受到干扰，干涉图案仍然消失了。这在1998年由斯蒂芬·杜尔、托马斯·纳翁和格哈特·雷姆在马克斯·普朗克量子光学研究所的原子干涉仪实验中得到了证实。路径探测产生的动量扰动被测量到，远不足以解释干涉的消失。有什么东西在起作用，那就是纠缠。当路径探测器与光子相互作用时，即使是轻微的，即使没有任何机械扰动，它也会在光子和探测器之间产生量子关联。光子状态与探测器状态纠缠在一起。在数学上，组合系统进入一种状态，其中光子穿过狭缝一与探测器读数狭缝一配对，光子穿过狭缝二与探测器读数狭缝二配对。整体量子状态的这两个组成部分不再能够相互干涉，因为它们现在是可区分的。它们被标记了。两条路径之间的相位关系，也就是干涉图案的全部来源，已经从单个光子转移到了更大的纠缠系统。这个过程称为退相干，它不需要意识、智能，甚至不需要人类意义上的功能性探测器。它只需要任何物理系统与路径信息相关联。空气分子撞击一个狭缝附近的光子就会做到这一点。一个杂散的热光子散射到粒子上也会做到这一点。任何在原则上可以确定哪条路径被采取的相互作用都会抑制干涉，无论是否有人实际检查。这在1996年被形式化为恩格尔特-格林伯格二象性关系。它表明 d² + v² ≤ 1。其中 d 是可区分性，衡量有多少路径信息可用；v 是可见性，衡量干涉条纹的清晰度。完美的路径知识意味着 d = 1，这迫使 v = 0。无干涉。完美的干涉意味着 v = 1，这迫使 d = 0。无路径信息。你可以拥有两者的部分数量，但总数是受限的。宇宙强制执行知识和干涉之间的严格预算，并且从不允许你超出它。这是玻尔在1927年9月哥本哈根会议上提出的互补原理，但用数学的牙齿表达出来。波的行为和粒子的行为不仅仅是不同的描述。它们是单一量子现实的互补方面，在相同的实验安排中不能同时完全显现。但要理解我们是如何走到这个奇怪的地方的，物理学是如何从牛顿的清晰确定性走向一个告诉我们宇宙有知识预算的原理的，你需要理解塑造了整个20世纪物理学的论证。这是人类历史上两位最伟大头脑之间的争论。它持续了从1927年直到其中一位去世，从某种意义上说，它仍在继续。阿尔伯特·爱因斯坦憎恨量子力学。这并不完全正确。他帮助创造了它。他1905年关于光电效应的论文，那篇为他赢得了诺贝尔奖的论文，引入了光量子（我们现在称为光子）的概念。没有爱因斯坦，可能根本就没有量子力学。爱因斯坦憎恨的不是数学。他承认方程是有效的。他憎恨的是解释。尼尔斯·玻尔最有力地提出的论点，即量子力学是完整的，关于物理现实没有什么可说的了，除了波函数及其概率预测所提供的。爱因斯坦认为必须有一些东西在下面，一些更深层次的现实，粒子在所有时间都有确定的性质，原因先于结果，上帝，正如他所说，“不玩骰子”。他花了生命的最后三十年试图证明量子力学是不完整的，它是一种有用但最终肤浅的描述，描述了一个更深层、更理性的现实。他们的公开辩论始于1927年10月在布鲁塞尔举行的第五届索尔维会议。这是科学史上最非凡的集会之一。那次会议的照片，29名男性和1名女性站在大都会酒店的台阶上，其中包括17位诺贝尔奖得主。爱因斯坦、玻尔、海森堡、薛定谔、狄拉克、普朗克、居里、玻恩、劳伦斯、德布罗意。每平方米的 the genius 浓度可能从未被超越。辩论没有在正式会议上进行。它们发生在早餐时。爱因斯坦早上会来到餐厅，坐下来喝咖啡，然后提出一个旨在打破量子力学的思想实验。一个物理场景，他认为你可以同时知道粒子的位置和动量。违反海森堡不确定性原理，玻尔会倾听，脸色苍白，然后花一整天与海森堡和普莱一起研究这个论证。到晚餐时，他就会找到破绽。参加过两次会议的保罗·埃伦费斯特在一封信中描述了这场盛况。“我很高兴能亲眼见证玻尔和爱因斯坦之间的对话。”他写道，“就像一场国际象棋比赛。爱因斯坦一直在提出新的例子，一种第二类永动机，用来打破不确定性关系。玻尔则从一片哲学烟雾中，不断寻找工具来粉碎一个又一个例子。”第六届索尔维会议上，这种情况再次发生。1930年，爱因斯坦提出了他迄今为止最巧妙的挑战。他提出了一个包含单个光子的盒子，盒子带有一个由时钟控制的快门，该快门会在一个精确已知的时间间隔打开，并在一个精确已知的时间释放光子。通过称量盒子前后两次的重量，利用爱因斯坦自己的质能等价原理 E=mc²，你可以任意精确地确定光子的能量。结合快门的精确计时，这将同时给出发射的能量和时间，从而违反能量-时间不确定性关系。据报道，玻尔受到了震动。他花了一个不眠之夜来解决这个问题，到早上他已经找到了一个毁灭性的回应。玻尔表明，称量盒子需要它在引力场中移动。根据爱因斯坦自己的一般相对论，时钟在不同引力势下的运行速率不同。通过称量盒子的重量来测量能量的行为本身就引入了快门计时中的不确定性。当你计算数学时，爱因斯坦自己的引力理论强制执行了海森堡不确定性原理。爱因斯坦被他自己创造的东西打败了。爱因斯坦从未接受这个结果，但他改变了策略。他没有直接试图打破不确定性原理，而是转向了一个更根本的论证。他不会证明量子力学做出了错误的预测，而是会证明它做出了不完整的预测，即物理现实中存在一些量子力学根本未能解释的要素。这导致了量子基础领域最著名的论文。该论文于1935年5月15日发表在《物理评论》上。作者是爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基和内森·罗森，标题是“物理现实的量子力学描述可以被认为是完整的吗？”。它被普遍称为EPR论文。这个论证很优雅，而且在其假设范围内是天衣无缝的。以下是它的工作原理。考虑两个相互作用然后分开的粒子。量子力学预测这些粒子的某些性质是相关的。如果你测量粒子1的位置，你就可以确定地预测粒子2的位置，而无需触碰它。如果相反，你测量粒子1的动量，你就可以确定地预测粒子2的动量。你选择测量粒子1的什么决定了你可以预测粒子2的什么，即使粒子可能相距任何距离。EPR做出了一个看似合理的假设，他们称之为“实在性标准”。“如果我们能在不以任何方式扰动系统的the情况下，确定地预测一个物理量的the，那么就存在一个与该物理量相对应的物理实在的要素。”通俗地说，如果你能在不接触物体的情况下确定地预测测量结果，那么这个属性在测量之前就一定是真实且确定的。结合定域性，即测量粒子1不能瞬时影响远处的粒子2的假设。结论似乎是不可避免的，因为你可以通过选择测量粒子1的什么来预测粒子2的位置或动量。而且由于你在粒子1上的测量不能在物理上影响粒子2。这两个属性都必须一直以来都是确定的。粒子2的位置和动量都是真实的、确定的，同时存在的。但量子力学说你不能同时知道两者。不确定性原理禁止这样做。因此，EPR得出结论，量子力学是不完整的。必须存在一些额外的变量，隐藏在量子形式主义之外，它们规定了粒子在测量之前所具有的确定属性。爱因斯坦称另一种选择是“幽灵般的超距作用”。如果量子力学是完整的，粒子在被测量之前没有确定的属性，那么测量粒子1就必须以某种方式瞬时影响粒子2。无论它们相距多远，爱因斯坦都认为这是荒谬的。它违反了相对论的精神，即任何影响都不能比光速传播得更快。他在1947年写信给马克斯·玻恩说：“我不能认真相信量子理论，因为它与物理学应该代表一个没有幽灵般超距作用的时空实在的观念不符。”在流行的重述这场辩论时，经常被忽略的是爱因斯坦的立场在当时看起来多么合理，并且在某种程度上仍然如此。我们体验到一个具有确定属性的确定物体的世界。你坐的椅子并不存在于客厅和厨房的叠加态中。它在这里。它一直在这里。月亮是否存在，无论是否有人看它。爱因斯坦曾问亚伯拉罕·皮斯：“你真的相信，当没有人看月亮时，它就不存在吗？”这是一个反问句，但它触及了问题的核心。如果量子力学是完整的，粒子在被测量之前确实没有属性，那么在什么尺度上开始存在确定的现实呢？在光子和月亮之间，有些东西变得真实。量子力学在其标准表述中，对这条界线在哪里没有任何说明。这困扰着爱因斯坦。它也应该困扰你。玻尔的回答在六周内就来了。同样发表在《物理评论》上，标题完全相同：“物理现实的量子力学描述可以被认为是完整的吗？”他的回答是肯定的，但他的论证以出了名地难以理解而闻名。玻尔基本上拒绝了EPR的实在性标准。他认为，你不能独立于用于测量粒子1的实验安排来谈论粒子2的属性。两个相互作用的粒子形成了一个单一的量子系统，而实验背景决定了可以有意义地提出哪些问题。这与粒子之间的物理扰动无关。这是关于量子现象的整体性。测量背景定义了什么是真实的，而不同的背景定义了不同的现实。你不能将不兼容测量的结果合并成一个单一的画面，就像你不能将从正面拍摄的照片与从侧面拍摄的照片合并成一个单一的平面图像一样。物理学界当时在很大程度上支持玻尔，尽管许多人觉得他的论证含糊不清。爱因斯坦直到1955年去世都未被说服。三十年来，EPR辩论一直被视为哲学上的好奇，有趣，但经验上空洞。双方都同意量子力学预测了什么。他们只 disagreement 关于它的意思。然后，在1964年，一位在CERN工作的爱尔兰物理学家做了一件非凡的事情。他将一个哲学论证变成了一个可检验的定理。约翰·斯图尔特·贝尔36岁，当时在日内瓦欧洲核子研究组织工作，他在一本短暂的期刊《物理学》上发表了关于爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬的文章。这篇论文有六页长。它改变了一切。贝尔证明的是，爱因斯坦关于粒子在测量之前具有确定属性并且影响不能比光速传播得更快的假设会导致可测量的结果，而不是哲学结果，而是经验性的结果。他推导出了一个不等式，一个数学限制，对两个分离粒子上测量的相关性必须满足，任何粒子携带预先存在的、由局部隐藏变量决定的确定值的理论都必须满足。然后他表明，量子力学预测了对这个不等式的违反。这一点值得停顿一下。在贝尔之前，爱因斯坦和玻尔之间的辩论是形而上学的。在贝尔之后，它是物理学的。你可以构建一个实验，测量相关性，并检查它们是否超过了贝尔的极限。如果超过了，爱因斯坦就错了。不是数学上错了，而是现实上错了。局部隐藏变量。粒子一直具有确定属性并且远距离测量不相互影响的想法无法解释结果。贝尔定理的逻辑可以在没有方程的情况下传达，尽管要充分说明它需要谨慎。想象一下爱丽丝和鲍勃相距遥远。他们各自从一对纠缠粒子中接收一个粒子。每个人都从几种可能的测量中随机选择一种来执行。他们记录下他们的结果。之后，他们比较笔记。如果粒子携带隐藏的指令，即对每种可能的测量的预定答案列表，那么爱丽丝和鲍勃结果之间的相关性是有限的。在多个测量设置中分配预定答案的方式只有这么多。贝尔不等式捕捉到了这个限制。它大致表示，如果你计算相关性测量值的某个组合，结果不能超过一个特定的数字。对于粒子可能使用的任何策略，对于它们可能携带的任何隐藏代码，只要代码是局部确定的，并且爱丽丝的测量选择不影响鲍勃的结果，就不能超过这个数字。量子力学预测纠缠粒子将产生超出此限制的相关性。不是微小的量，而是大量的、可实验检测的余量。对于某些测量角度，量子相关性可以违反贝尔不等式，其因子是平方根2，比经典极限高约41%。为了具体说明这一点，考虑纠缠光子的偏振测量。爱丽丝和鲍勃各自从一对纠缠光子中接收一个光子。每个人都将他们的偏振器设置为某个角度，并测量他们的光子是否通过或被阻挡。如果光子携带隐藏的指令，即在源头处内置的预定偏振方向，那么当爱丽丝和鲍勃在许多轮和许多不同的角度设置下比较他们的结果时，他们的测量结果相关的速率永远不会超过某个值。贝尔不等式捕捉到了这个上限。但量子力学预测，实验证实，当爱丽丝和鲍勃将他们的偏振器设置在特定的相对角度时，他们匹配结果的频率比任何隐藏指令集所能产生的都要高。这种超额不是微妙的。它是稳健的、可重复的，并且现在已经在世界各地数十个实验室的数千项独立实验中得到证实。这个结果的哲学意义很难被夸大。它并没有说我们目前的理论恰好预测了与隐藏变量理论不同的东西。它说的是，没有任何局部隐藏变量理论，即粒子具有确定属性并且影响传播速度不超过光速的理论，能够重现大自然实际所做的事情。这不是量子力学的限制。这是一个关于现实的定理。第一次严肃的实验测试发生在1982年，当时巴黎南大学奥赛分校的阿兰·阿斯佩、菲利普·格朗尼埃和格拉德·罗杰进行了一项改进的贝尔测试，使用了来自钙原子的纠缠光子。他们的源在级联过程中产生一对光子，其中一个被两个激光器激发的钙原子以极快的速度发射两个光子。它们的偏振完美相关。阿斯佩的关键创新是使用快速切换的声光器件来改变测量设置，而光子仍在飞行中。之前的实验，包括1972年伯克利大学约翰·克劳瑟和斯图尔特·弗里德曼的开创性测试，都使用了固定的偏振器设置。这为粒子或源头能够以某种方式提前适应设置留下了理论上的可能性。通过在光子离开源头后，在比光子飞行时间短的时间尺度内切换测量，阿斯佩确保了没有低于光速的信号能够将测量选择从一个探测器传递到另一个探测器。切换每10纳秒发生一次。光子飞行了大约40纳秒。如何测量每个光子的决定是在它已经在飞行中时做出的，信息无法到达另一边。结果违反了贝尔不等式，标准差为五。爱因斯坦的局部隐藏变量无法解释光子在做什么。要么粒子在测量之前没有确定的属性，要么影响以某种方式以超光速传播，或者两者兼有。这些选项中没有一个会被爱因斯坦接受。所有这些都被量子力学接受。阿斯佩因这些实验与约翰·克劳瑟和安东·蔡林格共同获得了2022年诺贝尔物理学奖。诺贝尔委员会的引文简单地写道：“因纠缠光子实验，建立了贝尔不等式的违反，并开创了量子信息科学。”从贝尔定理到阿斯佩的实验，再到诺贝尔奖，用了40年。深刻的问题需要时间。但阿斯佩的实验，尽管具有开创性，但仍存在漏洞。探测器的效率不够高，无法排除只有一部分有偏见的光子对被探测的可能性，即所谓的“探测漏洞”，以及探测器之间的距离不够远，无法完全消除在测量过程中亚光速通信的可能性。即“定域性漏洞”。关闭这些漏洞又花了三十年的艰苦实验工作。挑战不仅是技术上的，也是概念上的。要关闭定域性漏洞，你需要两个探测器足够远，以至于光本身在测量过程中无法在它们之间传播。要关闭探测漏洞，你需要效率足够高的探测器，以至于几乎每一对纠缠粒子都能产生注册的点击声，从而消除某些有偏见的子集欺骗你的可能性。在同一实验中同时实现这两点是21世纪物理学最伟大的实验挑战之一。2015年，三个团队独立进行了无漏洞的贝尔测试。荷兰代尔夫特理工大学罗纳德·汉森的团队采用了一种非常巧妙的方法。他们纠缠了钻石晶体中的氮空位中心，这些中心基本上是单个被困在钻石晶格缺陷中的电子。这些不是光子。它们是物质，它们相距1.3公里，通过连接大学校园的光纤电缆连接。实验采用了“纠缠交换”技术。每颗钻石发射一个与其被困电子纠缠的光子。这两个光子被发送到一个位于钻石之间中点的探测站，在那里进行联合测量，将远处的电子投影到一个纠缠态。只有当这个宣告测量成功，确认纠缠已经建立时，团队才对电子进行贝尔测试测量。这个宣告步骤是关闭探测漏洞的关键，因为电子自旋测量基本上是100%有效的。每一对通过宣告步骤的纠缠粒子都产生了一个有效的数据点。不需要公平抽样假设。1.3公里的分离意味着在4微秒的测量窗口内，光本身无法从一颗钻石传播到另一颗。在同一个实验中，两个漏洞都被关闭了。结果违反了贝尔不等式，p值为0.039，相当于2.4个标准差。这在粒子物理学标准下是适度的，但已经足够了。该团队在几周内进行了245次成功的试验。每次试验都需要在超过一公里的两颗宏观钻石之间产生纠缠。由于光纤中的光子损耗，这项壮举大约每几分钟才成功一次。所需的耐心难以想象。与此同时，由安东·蔡林格领导的维也纳大学团队和科罗拉多州博尔德市国家标准与技术研究所的团队进行了基于光子的贝尔测试，两个漏洞都被关闭了。维也纳团队使用了在60米自由空间链路上传输的纠缠光子，并实现了超过11个标准差的违反。NIST团队使用了一种创新的探测方案，使用超导纳米线光子探测器，效率接近统一，并超过了七个标准差。2018年，由巴塞罗那光子科学研究所组织的“大贝尔测试合作组织”更进一步。超过10万名来自世界各地的志愿者参与者通过玩在线视频游戏生成了随机测量设置。他们的按键决定了13个同时进行的贝尔测试实验中的偏振器角度，这些实验分布在五大洲的12个实验室中。目标是解决“自由选择漏洞”。即担心用于设置测量的随机数生成器可能不是真正随机的，而是以某种确定性的方式与隐藏变量相关联。通过使用人类自由意志，或者至少是人类不可预测性作为随机源，该合作组织使得“超决定论漏洞”尽可能令人不安。每个实验都违反了贝尔不等式。结果发表在《自然》杂志上。判决是普遍和明确的。“自然违反了贝尔不等式。局部隐藏变量作为量子相关性的解释被排除。爱因斯坦关于量子力学背后存在一个更深层局部实在论理论的梦想，至少在其最简单的形式中已经破灭。但请注意，贝尔定理没有说什么。它没有告诉你三个假设中的哪一个错了。它说的是，局部实在论作为一个整体，与量子力学是不相容的。局部实在论意味着两件事合在一起。实在论，即粒子在你测量它们之前就具有确定的属性。以及定域性，即对一个粒子的测量不能瞬时影响另一个遥远的粒子。贝尔说你不能两者兼得。你至少必须放弃一个。标准的量子力学放弃了实在论。粒子在被测量之前没有确定的属性。这正是玻尔一直争论的。多世界理论放弃了一种特定的确定性观念。一切都会发生。所以没有未做出的选择需要担心。由大卫·玻姆在1952年开发的玻姆力学采取了最具颠覆性的方法。它完全保留了实在论。在玻姆的理论中，粒子始终具有确定的位置并遵循确定的轨迹。没有不确定性，没有波函数坍缩。代价是明确的非定域性。玻姆的理论增加了一个引导波，也称为引导方程，它引导粒子沿着它们的路径。这个引导波是一个真实的物理场，它弥漫于整个空间，并对宇宙任何地方的变化做出瞬时响应。当你测量一个纠缠粒子时，引导波会全局地、瞬时地更新，改变另一个粒子的轨迹。这不是信号。它不能用于通信。但它对粒子的运动产生了真实的超光速影响。玻姆用非定域性的怪异换取了不确定性的怪异。许多物理学家认为这是一个公平的交换。该理论对所有提出过的实验都做出了与标准量子力学完全相同的预测，包括量子擦除器。它只是对幕后发生的事情讲述了一个非常不同的故事。而休·普莱斯这样的回溯因果论者试图通过允许影响向后传播时间来同时保持定域性和实在性，从而放宽了贝尔定理所要求的统计独立性假设。这些对贝尔的回应中的每一种都有积极的捍卫者。没有一种被实验明确排除或肯定。贝尔在1964年开启的问题，即我们必须放弃对现实的哪种假设，仍然是科学中最深刻的未解问题之一。这就是纠缠从哲学上的尴尬转变为量子物理学核心概念的背景。爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”，并以此作为侮辱。他认为这证明了量子力学是不完整的。贝尔证明了它是真实的。阿斯佩证明了它是可测量的。2015年的实验证明了它是不可避免的。纠缠不是连接遥远粒子的神秘力量。它是一种相关性，但是一种没有经典等价物的相关性。当两个光子纠缠时，测量一个光子并不会向另一个光子发送信号，也不会导致另一个光子改变，但它确实揭示了关于测量另一个光子将发现什么的信息。这种相关性的强度超过了粒子之间预先达成的任何协议所能产生的。这就是贝尔定理的内容。也是量子擦除器的内容。在金的实验中，信号光子和闲置光子从它们在BBO晶体中的产生那一刻起就纠缠在一起。这种纠缠编码了闲置光子中的路径信息。它抑制了信号中的干涉，并且它允许擦除器工作，因为路径信息存储在一个单一的量子系统中。闲置光子没有像在狭缝处放置物理探测器那样被不可逆地放大到热环境中。整个实验是对EPR在1935年识别出的、贝尔在1964年形式化的、阿斯佩在1982年确认的精确控制演示。量子擦除器是EPR的可视化，互补性的可操作化，以及贝尔非定域性的具体化。理解从爱因斯坦的反对到玻尔的回应，到贝尔定理，到阿斯佩的实验，到斯卡利的提议，再到金的实现这一系列过程至关重要。没有它，量子擦除器看起来就像一个魔术。有了它，它看起来就像物理学史上最重要的论证的顶峰。这个故事还有一个尾声，爱因斯坦，他于1955年去世，未能亲眼看到。他鄙视的“幽灵般的超距作用”成为一项全新技术的基石。1993年，IBM的查尔斯·贝内特、蒙特利尔大学的吉尔·布拉萨和另外四位物理学家发表了一篇论文，表明纠缠可以用于将量子信息从一个位置传输到另一个位置。不是科幻小说式的传送。物理粒子留在原地，但它的量子态，它所拥有的所有属性的完整规范，通过使用纠缠作为通道和经典通信链接作为触发器，被传输到一个遥远的粒子上。原始状态在此过程中被销毁，这与禁止完美复制量子信息的“不可克隆定理”一致。贝内特和布拉萨称之为“量子隐形传态”，此后它已通过中国卫星“墨子号”在超过1400公里的距离上得到演示。注意结构。你需要两个粒子之间的纠缠。你需要一侧的测量，还需要一个经典的通信通道来告诉另一侧如何处理他们的粒子。没有经典通道，遥远的粒子是无用的。相关性存在但无法访问。听起来熟悉吗？应该熟悉。量子隐形传态具有与量子擦除器完全相同的逻辑结构。纠缠的相关性在没有经典信息交换的情况下是不可见的。无通信定理在起作用。从某种意义上说，量子擦除器是量子隐形传态的概念表亲。两者都表明纠缠产生了超越距离的相关性。但它们永远无法替代经典通信。这种认识到纠缠不是一个bug而是一个资源，引发了量子信息革命。量子密钥分发利用纠缠光子创建可证明牢不可破的加密，已在中国、欧洲和美国的网络上部署。量子计算利用叠加和纠缠来执行某些计算，其速度比任何经典计算机都快指数级，已从理论上的好奇心发展成为一个全球性行业。谷歌、IBM、微软和数十家初创公司正在竞相制造利用量子擦除器所展示的那些相关性的机器。爱因斯坦认为纠缠是反对量子力学的论据。事实证明，它是量子力学最伟大的技术馈赠。但斯卡利1991年的论文还包含其他东西。一些需要8年时间才能在实验室中进行测试的东西。如果与探测器的纠缠会破坏干涉，斯卡利问道，那么如果你擦除那种纠缠会发生什么？如果你销毁了路径信息，一旦它被创建了呢？你能把干涉带回来吗？他理论上表明的答案是肯定的。但它的工作方式并非任何人所期望的那样。在我们开始讨论擦除器实验本身之前，我们需要谈谈约翰·阿奇博尔德·惠勒，因为他在1978年提出的观点是使量子擦除器如此令人不安的概念基础。惠勒不是什么边缘思想家。他是普林斯顿大学理查德·费曼的博士导师。他创造了“黑洞”这个词。他创造了“虫洞”这个词。他参与了曼哈顿计划。当惠勒提出某事时，物理学界会认真对待，即使他提出的东西听起来很疯狂。惠勒的“延迟选择”思想实验始于一个标准的干涉仪。一个光子进入并撞击一个半反射镜，一个分束器，它给它50/50的反射或透射的几率。光子现在处于两个路径的叠加态。这些路径由镜子重定向到一个交叉点。现在实验者有两个选择。选项一，开放配置。在交叉点放置探测器，每个路径上一个。每个探测器50%的时间触发。光子走了一条路或另一条路。粒子行为。选项二，封闭配置。在交叉点插入第二个分束器。现在两条路径重新组合并发生干涉。一个探测器每次都会触发。另一个探测器永远不会触发，因为相长干涉将所有概率幅度发送到一个输出，而相消干涉会抵消另一个波的行为。这里的转折是。惠勒提出实验者等到光子已经进入干涉仪，已经通过了第一个分束器，并且已经沿着一条或两条路径前进，然后在最后一刻决定是否插入第二个分束器。是观察波行为还是粒子行为的决定是在光子在某种意义上已经选择了它的路径之后做出的。惠勒在他的1983年文章《无律之律》中写道：“因此，我们决定光子是在它已经旅行之后，是通过一条路径还是两条路径。”但惠勒并没有止步于此。他设想将此扩大到宇宙尺度。有一个真正的天体叫做“双类星体”，目录号为q0957 + 561，它是一个单一的类星体，其光被一个中间星系的引力场分成两个图像。一种称为引力透镜的现象。光在数十亿年前离开了类星体。它沿着两条路径绕过透镜星系，路径相距约5万光年，并在地球上以两个图像的形式到达。惠勒提出了以下建议。在地球上放置一个探测器，它可以确定每个光子走的路径（左图像或右图像），或者组合两条路径以产生干涉。现在就做出决定。光子在数十亿年前离开了类星体。它在数百万年前经过了星系。它走了哪条路或两条路的决定是在光子旅行了比地球存在的时间更长之后做出的。正如惠勒所说，“在我们做出决定之前，光子已经经过了那个星系数十亿年。”这就是在某种程度上，我们决定了光子在它已经完成之后做了什么。现在，惠勒在从他的结论中非常小心。他并没有主张时间倒流。他明确表示，意识与量子过程无关。他所主张的是一个更激进的方向。他认为，过去直到现在被记录下来之前，并没有确定的存在。他的原话是：“认为过去已经以所有细节存在是错误的。过去就是理论。过去不存在，除非它被记录在现在。”惠勒画了一张他称之为“巨大的烟龙”的图。它有一个尖锐的尾巴，即发射事件，和一个尖锐的嘴，即探测事件。但龙在源头和探测器之间的整个身体都被无法穿透的烟雾遮蔽了。龙在中间做了什么或看起来像什么，惠勒说，“我们无权说话。我们知道光子从哪里开始。我们知道它在哪里结束。中间的一切不仅是未知的。它在精确的量子力学意义上是未定义的。”2007年，文斯和他的同事们，包括著名科学家阿兰·阿斯佩，用一个真正的单光子源（钻石中的氮空位中心）进行了实验，证实了惠勒的预测。他们的干涉仪有48米的路径长度。一个量子随机数生成器在开放和封闭配置之间做出选择。这个选择与光子进入设备的时间是类时分离的，这意味着任何以光速或更低速度传播的信号都不可能在光子进入之前将选择传达给它。封闭配置显示了94%的干涉可见度。开放配置显示了低于1%的路径确定误差。2015年，安德鲁·曼宁和他的同事们在澳大利亚国立大学将这一实验扩展到宏观粒子，使用了超冷亚稳态氦原子和由量子随机数生成器触发的布拉格脉冲分束器。他们表明，即使是具有质量、与电场相互作用的原子，在各个方面都是真实的物理对象，也表现出与光子相同的延迟选择行为。正如博士生罗曼·卡基莫夫所说，“用原子进行实验，这些原子是复杂的物体，具有质量并与电场相互作用等等，这增加了其怪异性。”因此，到20世纪90年代末，概念上的碎片已经到位。斯卡利在理论上证明了路径信息可以被擦除以恢复干涉。惠勒表明，在光子已经走完它的路径之后，仍然可以选择是观察波行为还是粒子行为。下一步是不可避免的。如果将这两个想法结合起来会怎样？如果你创建了路径信息，让光子被探测到，然后在探测已经被记录之后，决定是擦除信息还是保留它？这正是尹浩金、鲁·斯·库利克、严华石和马龙·斯卡利在马里兰大学巴尔的摩县分校所做的事情。要理解他们的结果为何如此令人不安，你需要理解他们设备中的每一个部件，不是那种含糊不清的版本，而是实际的实验。这篇论文于2000年1月3日发表在《物理评论快报》上，第84卷，页码1-5。一篇预印本于1999年3月13日出现在ArXiv上。标题很简单：“延迟选择量子擦除器”。它是物理学史上讨论最多、最被误解、最常被歪曲的实验之一。它始于一束激光，具体来说是一束351.1纳米的氩离子激光，产生人眼看不见的紫外光。这束激光束对准一个带有两条狭缝的屏障。然后穿过这些狭缝的光会击中一个晶体。不是普通的晶体。一块β-硼酸钡（化学式BaB₂O₄），因其非凡的非线性光学性质而被选中。这种晶体通过一种称为自发参量下转换（SPDC）的过程做了一件非凡的事情。它将一个紫外光子转换成一对能量较低的光子。能量守恒要求新产生的两个光子的总能量等于原始光子的能量。动量守恒。
需要它们组合的动量也相匹配。结果是两个光子，每个光子的波长为 72.2 纳米，刚好越过可见光的红边，进入近红外区域。这两个光子是纠缠的。它们的性质在量子力学上以经典解释无法理解的方式相关联。该晶体配置用于所谓的 II 型相位匹配，这意味着每对中的两个光子具有垂直的偏振，一个为寻常光，一个为非寻常光。这种偏振差异使得它们能够被物理分离。一种称为 Glen Thompson 棱镜的由方解石晶体制成的装置，根据偏振将两个光子分成不同的空间部分。现在是关键的几何结构。激光在击中 BBO 晶体之前会穿过双缝，照亮标记为 A 和 B 的两个不同区域。这些区域相隔约 0.7 毫米，每个区域约 0.3 毫米宽。当一对光子产生时，它会在区域 A 或区域 B 产生。这意味着信号光子，即朝向主探测器向上的那个，实际上是通过一个狭缝或另一个狭缝穿过的，而其纠缠的伙伴，即朝下传播的闲置光子，携带有关哪个区域、哪个狭缝产生这对光子的信息。信号光子向上穿过一个透镜，该透镜执行傅里叶变换，将衍射图案映射到焦平面，然后击中探测器 D0。该探测器安装在步进电机上，该电机沿水平轴缓慢扫描，记录每个位置到达的光子数量。D0 是我们双缝实验中的屏幕。如果发生干涉，D0 将显示条纹，在扫描过程中出现交替的峰谷。如果不发生干涉，D0 将显示一个单一的、无特征的驼峰。现在来看闲置光子，这就是实验变得复杂且每个部分都很重要的部分。离开 Glen Thompson 棱镜后，闲置光子会击中标记为 PS 的棱镜，该棱镜增加了来自区域 A 的闲置光子和来自区域 B 的闲置光子之间的空间分离。然后，这两个部分会遇到两个 50/50 分束器，BS_A 和 BS_B。如果闲置光子来自区域 A，它会击中分束器 A。有 50% 的几率它会从该分束器反射并直接到达探测器 D4。如果发生这种情况，我们就知道闲置光子来自区域 A，这意味着信号光子是通过狭缝 A 穿过的，路径信息得以保留。但也有 50% 的几率闲置光子会穿过分束器 A 并继续前进到一个镜子 M_A，该镜子将其重定向到一个最终的分束器，标记为 BS。另一侧也发生同样的事情。如果闲置光子来自区域 B，它会击中分束器 B。50% 的几率它会直接反射到探测器 D3。路径得以保留？这次是狭缝 B。50% 的几率它会穿过镜子 M_B 并继续前进到分束器 BS。分束器 BS 是量子擦除器。在这个最终的分束器处，来自 A 侧穿过的闲置光子和来自 B 侧穿过的闲置光子被合并。到达 BS 的光子可能来自任一区域。原则上，再也没有办法确定是哪个狭缝产生了它。路径信息已被擦除。该分束器有两个输出端口，分别通往探测器 D1 和探测器 D2。因此，总结一下这五个探测器：D0 捕获信号光子并记录其位置。D1 捕获在分束器 BS 处路径信息被擦除的闲置光子。D2 也是擦除器的另一个输出端口。D3 捕获在分束器 B 处反射的闲置光子，为狭缝 B 保留了路径信息。D4 捕获在分束器 A 处反射的闲置光子，为狭缝 A 保留了路径信息。五个探测器，一个信号光子探测器和四个闲置光子探测器。两个闲置探测器擦除路径信息以保留它。对于产生的每对纠缠光子，信号光子总是到达 D0，而闲置光子最终到达四个闲置探测器之一，由分束器反射的随机机会决定。这里是使这个实验成为延迟选择实验的事实。闲置光子通过装置的路径比信号光子长约 2.5 米。光每纳秒传播约 30 厘米。这 2.5 米的差异意味着信号光子到达 D0 的时间比闲置光子到达任何一个探测器的时间早约 8 纳秒。探测器的时序分辨率约为 1 纳秒。因此，这种顺序是明确无误的。信号光子在闲置光子甚至到达决定其路径信息是否被擦除或保留的分束器之前就被探测、记录、完成、结束，成为过去时。8 亿分之一秒。以人类的尺度来说，这时间很短。但在该实验的世界里，这是一段永恒。在宇宙决定如何处理其双生子之前，信号光子的命运就已经注定。现在来看结果，这也是几乎所有关于这个实验的流行叙述都出错的地方，因为它们忽略了最重要的一点。所有五个探测器都连接到符合电路。这些是电子系统，只有当 D0 和另一个探测器在调整为已知的 8 纳秒延迟的窄时间窗口内触发时，它们才会注册一个计数。因此，实验不仅仅记录信号光子落在哪里。它记录信号光子落在哪里，以及其伙伴击中了哪个闲置探测器。这会产生四个独立的数据集，在 D0 沿其轴扫描时同时收集。数据集一：D0 处的信号光子，其闲置伙伴击中了擦除探测器 D1。当您将符合率 R01 与 D0 的位置绘制在一起时，您会得到一个美丽、清晰、无可辩驳的杨氏双缝干涉图案。明亮的条纹和黑暗的条纹。正如您从穿过两个狭缝的波中所期望的那样。数据集二：D0 处的信号光子，其闲置伙伴击中了另一个擦除探测器 D2。也是一个干涉图案，但相对于数据集一，它偏移了半个条纹宽度。数据集一有峰值的地方，数据集二就有低谷。数据集一有低谷的地方，数据集二就有峰值。它们是互补的镜像。这种相位差源于分束器的物理原理。50/50 分束器的反射和透射引入了 90° 的相位差，因此 BS 的两个输出端口产生的条纹偏移了整整 π。数据集三：D0 处的信号光子，其闲置伙伴击中了狭缝 B 的路径探测器 D3。完全没有干涉。只有一个单一的宽驼峰。一个单缝衍射包络，因为路径信息被保留了。只有一个量子振幅对图案有贡献，而您需要两个振幅才能获得干涉。没有什么可以与数据集三发生干涉。数据集四：D0 处的信号光子，其闲置伙伴击中了狭缝 A 的路径探测器 D4。同样，没有干涉。一个单一的宽驼峰，由于光子来自另一个狭缝，因此比数据集三略有偏移。到目前为止，这似乎证实了最令人毛骨悚然的解释。其伙伴后来被擦除的信号光子显示出干涉。其伙伴后来被完整路径信息检测到的信号光子显示出无干涉。这里的“后来”是真实的。信号光子比这一切决定早 8 纳秒击中 D0。但这里是改变一切的细节。病毒视频和气喘吁吁的文章几乎总是忽略的事实。看看 D0 处的总图案。没有按符合度排序，没有按子集划分，只是击中 D0 的每个信号光子的原始未排序数据。无论其伙伴发生了什么，都没有干涉图案。没有。它是一个无特征的斑点。这不是一个小细节。这是整个要点。数学解释了为什么数据集一的条纹是余弦平方。数据集二的条纹是正弦平方。将它们加在一起。余弦平方 + 正弦平方 = 1。两个互补的干涉图案，偏移了整整半个条纹，完美地相互抵消。将数据集三和数据集四（已经是无特征的驼峰）相加，总和是一个平滑的无结构分布。任何实时观察 D0 而又无法访问闲置探测器符合数据的观察者都无法确定路径信息是正在被擦除还是被保留。干涉在总信号中是看不见的。它只存在于您将数据按子集排序时。而这种排序需要来自闲置探测器的经典信息。只能以光速或更低速度传播的信息。想想这意味着什么。如果未来真的能够回溯改变过去，您会期望 D0 处的总图案在您打开或关闭闲置探测器时发生变化。它不会改变，甚至不会有丝毫改变。D0 处的信号光子分布与下游发生的事情无关，始终相同。干涉条纹一直都在那里，隐藏在总分布中，编码在纠缠光子对之间的相关性中。它们不是由擦除器产生的。它们是通过排序揭示的。Sha Carol，加州理工学院和约翰霍普金斯大学的物理学家和作家，用我认为最清晰的比喻来解释这一点。想象一下您进行了一个双缝实验，屏幕上的结果是一个无特征的斑点。现在有人走过来，说我可以将您的数据分成两组，每组都会显示干涉条纹，但条纹的位置是互补的。这不是未来改变过去。这是事后选择。您选择查看数据中的哪个子集，每个子集都具有总体所不具备的结构。Sabine Hosenfelder，德国物理学家和科学传播者，更直率地说。我可以把硬币扔在地板上，然后稍后决定忽略其中一些，然后创造任何一种图案。这显然不会重写过去。Craig Gidney，谷歌量子计算实验室的研究员，在 2016 年发表了一篇题为《擦除是事后选择》的有影响力的分析文章，他在其中指出了流行理解错误的地方。他写道：“人们认为量子擦除器像一个电路，一个量子比特上的操作会影响另一个量子比特的状态，但实际上另一个量子比特始终不受影响。关键的见解是，实际的擦除实验是通过条件化（即事后选择）来工作的，而不是通过测量影响远距离粒子。如果 Alice 有一个光子，Bob 有另一个，Bob 必须告诉 Alice 在哪些运行中丢弃数据，然后图案才会出现。而这种告知需要经典通信通道。没有经典信息，就没有图案。”这由一项称为“无通信定理”的数学结果保证，该定理由几位物理学家在 20 世纪 70 年代末和 80 年代初独立证明。它指出，给定一个二分量子系统，一方对其子系统执行的任何操作都不会改变另一方约化密度矩阵的任何内容。Bob 无法对其光子执行任何测量，从而对 Alice 的光子产生任何可检测到的变化。绝对不行。相关性是存在的，但没有比较就看不见。而比较需要经典通信。量子擦除器不会重写过去。它证明了过去包含隐藏的结构，只能通过纠缠粒子之间的相关性来提取，而这些相关性需要通过经典信息交换才能访问。但是，如果实验不能证明时间倒流，也不能证明意识创造现实，也不能用于发送时间信息，那么为什么物理学家仍然觉得它很有趣？为什么在它进行四分之一个世纪后，它仍然在严肃的期刊上被讨论？因为一旦剥离了误解，实验实际证明的东西是深刻而真正奇怪的。而奇怪之处不在于时间。而在于现实本身的性质。让我们从连那些驳斥了关于这个实验的所有超因果论主张的物理学家仍然觉得非凡的事情开始。当你查看 D0 的原始数据时，没有排序，没有符合计数，没有来自闲置探测器的信息，你会看到一个平滑的无特征分布。没有干涉图案。没有结构。它看起来就像你用光子穿过两个狭缝并测量每个光子通过哪个狭缝时得到的结果。换句话说，它看起来像粒子行为。但是隐藏在这个无特征的斑点中，编码在每个信号光子与其纠缠的闲置伙伴之间的量子相关性中，存在着不止一个，而是两个完整的干涉图案。它们偏移了整整半个条纹宽度。因此，当它们组合时会相互抵消，并且可以通过根据在闲置探测器上收集的信息对 D0 数据进行排序来完美提取，或者在实际实验中提前 8 纳秒提取。但关键是时间无关紧要。图案一直都在。它们是潜在的。它们是自产生之日起就存在的纠缠态的属性。Sha Carol 精确地捕捉到了这一点。“在最初看起来像一个无特征的污迹中，秘密地隐藏着干涉。纠缠态包含了所有可能的测量结果所需的关联，无论是波状的、粒子状的，还是介于两者之间的。无论实际执行哪种测量，量子态都不会承诺一种描述或另一种。它同时持有所有这些描述。而你看到的取决于你如何选择去看。这不像一枚硬币，它是正面或反面，而你只是不知道是哪个。那是经典无知。这根本不同。光子没有确定的路径，你只是在检查相关性之前未能观察到。‘哪个路径’的概念不适用，不是因为你的仪器有限制，而是因为宇宙还没有给出这个问题的答案。答案是通过测量行为产生的。而不同的测量会产生不同的答案，所有这些都来自同一个底层状态。想想这对历史的概念意味着什么。我们认为过去是固定的。事情发生了。光子通过了狭缝 A 或狭缝 B。它在其轨迹的每个时刻的位置是一个确定的事实。惠勒的延迟选择实验已经挑战了这一假设。量子擦除器更进一步。信号光子以特定位置击中 D0。这是一个事实。它被记录下来了。它已经成为过去。但是那个光子是干涉图案的一部分吗？这个问题没有确定的答案。它取决于闲置光子如何被测量。而这种测量可能稍后发生，或者原则上可能晚得多。信号光子参与干涉图案不是信号光子本身的属性。它是信号光子和闲置光子之间相关性的属性。而这种相关性可以以不同的方式被分割。这不是未来改变过去。D0 处的过去始终是相同的无特征斑点。D0 上的任何东西都不会改变。但是过去的意义，可以从中提取的模式，可以讲述的故事，取决于尚未发生的测量。过去在原始事实方面是确定的，但在其可解释的结构方面是不确定的。惠勒说得最好：“过去的存在仅在于它被记录在现在。”而量子擦除器恰恰展示了这一原则是如何在实践中运作的。第二个真正奇怪的结果证实了 Scully 在 1991 年理论上证明的东西。但擦除器表明，干涉的破坏不是由物理扰动引起的，而是由信息引起的，不是通过颠簸光子，不是通过撞击它、踢它或散射任何东西，仅仅是因为宇宙中存在一个物理记录，原则上可以揭示采取了哪条路径。这与我们通常对因果关系的看法有深刻的转变。在经典物理学中，如果你想改变粒子的行为，你必须与它互动，推它，用另一个粒子撞它，传递能量或动量。必须有一个局部的物理机制。量子擦除器表明，这些都不需要。信号光子在离开 BBO 晶体后，在任何方面都没有受到闲置光子旅程的干扰。它们之间没有能量交换。没有施加力。它们不通信。然而，信号光子是否构成干涉图案，完全取决于闲置光子发生的情况。正如 Maria Violaris 在 2025 年的《物理世界》杂志上所写的那样，量子擦除器最戏剧性的含义是解释了观察者在双缝实验中的作用。量子擦除器强调，即使是两个量子比特之间的单个纠缠也会导致退相干，无论之后是否进行测量。不需要神秘的宏观观察者。机制是纠缠。当信号光子在 BBO 晶体的区域 A 或区域 B 产生时，其双生闲置光子会携带一个记录，记录了是哪个区域。这个记录不需要被读取。它不需要被任何有意识的实体处理或感知。仅仅它的存在就足以抑制信号光子的干涉。而当这个记录被破坏时，当闲置光子通过分束器 BS 路由，两条路径被重新组合，使得起源信息永久丢失。通过相关性可以恢复干涉。信息而非相互作用决定了波粒二象性。而量子力学中的信息是物理的。它具有物理后果。它的存在或缺失会改变可能任意遥远粒子的统计模式，这些粒子仅通过纠缠的无形丝线相连。这种信息不是抽象的而是物理的观念，其根源比量子力学更深。1961 年，IBM 的 Rolf Landau 证明，擦除单个比特的信息必然会产生最小量的热量，这是由热力学第二定律决定的微小但非零的能量成本。Landau 的原理已得到实验证实。信息不仅仅是我们对物理系统的了解。它本身就是一种物理量，与能量或动量一样真实，受守恒定律和热力学约束。量子擦除器以极其精确的方式运用了 Landau 的见解。闲置光子中存储的路径信息不是强加给实验的人类概念。它是关于闲置光子状态的物理事实。一个对信号光子行为具有可测量后果的事实。擦除该信息不仅仅是遗忘。它是一个物理过程。分束器 BS 两条路径的重组，它破坏了一个物理记录，从而改变了可以从数据中提取的相关性。John Archerald Wheeler 用他著名的短语“万物源于比特”总结了这种世界观。每个粒子，每个力场，甚至时空连续体本身，其功能、意义、甚至存在都完全源于对是或否问题、二元选择、比特的回答。量子擦除器可能是物理学中“万物源于比特”最清晰的实验证明。干涉条纹不是由光子、波或粒子产生的。它们是由纠缠态的信息结构产生的。改变信息，你就改变了模式。不是物理相互作用，而是信息。第三个真正奇怪的结果将量子擦除器与物理学中最深刻的未解之谜联系起来。2013 年，Shiao Songmar、Anton Zalinger 和同事进行了一个版本的量子擦除器，其中擦除选择与干涉测量在空间上是分离的。空间分离意味着任何以光速或更低速度传播的信号都无法连接这两个事件。它们在因果上是断开的。它们之间没有任何已知的物理机制可以相互影响。他们进行了两个尺度的实验。首先使用维也纳的 55 米光纤链路。然后使用加那利群岛拉帕尔马岛和特内里费岛之间的 144 公里自由空间链路，在其中一个岛上生成纠缠光子。在两个岛上都进行了测量。擦除选择由远端岛上的量子随机数生成器做出。干涉可见度达到 0.951，接近完美，结果与量子力学预测完全一致。他们发表在美国国家科学院院刊上的结论是明确无误的。没有朴素的实在论图景与我们的结果相符，因为一个量子是否表现出粒子行为或波动行为将取决于一个因果上分离的选择。因此，完全放弃这种图景是合理的。他们用谨慎的学术语言说的是，擦除器揭示的量子相关性不是光子之间任何隐藏信号的传递结果。它们不是由擦除选择以某种方式跨越空间影响远距离测量引起的。这些相关性从产生之日起就构建在纠缠态中，并且比任何经典局部实在论模型都能产生的更强。这就是贝尔非局域性。2015 年，由代尔夫特、维也纳和 NIST 的团队进行的无漏洞贝尔检验也证实了同样的现象。量子世界允许远距离事件之间的相关性超出任何局部机制所能解释的范围。然而，这些相关性永远不能用于发送信号。量子擦除器本质上就是 EPR 贝尔相关性，通过路径和干涉的透镜来观察。但它使得非局域性变得有形，而抽象的贝尔不等式违反有时做不到这一点。你可以指出干涉条纹和无特征的驼峰，然后说看，在同一时间以相同方式检测到的相同信号光子，根据其伙伴在别处发生的事情产生不同的图案。没有发送信号。没有交换力，但相关性是存在的。这才是真正的谜团。不是时间旅行，不是意识，不是未来重写过去。真正的谜团是量子力学允许空间分离事件之间的相关性，而任何经典理论都无法重现，同时又禁止任何人利用这些相关性进行通信。宇宙允许非局域相关性，但禁止非局域信号。就好像大自然找到了奇异性和悖论之间的确切界限并停留在那里。那么物理学家们到底认为发生了什么？不是流行科学版本，不是病毒视频版本。严肃的量子力学解释对量子擦除器说了什么？哥本哈根解释是玻尔最初的框架通过互补性来处理结果。波动行为和粒子行为是互斥的。当路径信息存在于宇宙中的任何地方时，干涉就会被抑制。当它被擦除时，可以从适当的数据子集中恢复干涉。惠勒完全在这个传统中工作，他强调将光子从进入点到最后飞行的整个过程归因于一个实体是错误的。在哥本哈根解释中，光子在制备和检测之间没有轨迹。它不通过狭缝 A 或狭缝 B 或两者。这个问题在特定测量之外是无意义的。哥本哈根解释的局限性——而且它确实是一个真正的局限性——在于它从未明确说明叠加态占主导地位的量子世界与确定结果发生的经典世界之间的界限在哪里。它提出了海森堡所谓的量子与经典之间的“切割”，但将其位置留给实用判断而非基本原则。由 Sha Carol 倡导，最初由 Hugh Everett 在 1957 年提出的多世界解释几乎完全消除了这个谜团，但代价是接受一个极其惊人的本体论。在多世界解释中，波函数永远不会坍缩。宇宙波函数在所有时间都以幺正和确定性的方式演化。当发生测量时，宇宙不会选择一个结果。所有结果都会发生。宇宙会分支。对于量子擦除器，Carol 的分析是明确的。当信号光子在 BBO 晶体处与闲置光子纠缠时，两者形成一个联合量子态。通过狭缝 A 的信号与通过路径 A 的闲置光子相关联。通过狭缝 B 的信号与通过路径 B 的闲置光子相关联。这两个分量现在是可区分的。因此它们不能干涉。Carol 的总结是，任何形式的纠缠都会破坏干涉。但这种退相干在他看来是“某种程度的退相干”。路径信息只存储在一个量子比特中，即闲置光子，而不是不可逆地放大到热环境中。因为闲置光子是一个简单的量子系统，它的路径信息可以通过在不同基下测量来擦除。当闲置光子通过分束器 BS 时，联合态被重新表达在一个新的基下，其中每个闲置结果都与通过两个狭缝的信号光子相关联。干涉出现在每个子集中，但这两个子集具有互补的条纹，相加时会相互抵消。Carol 的结论是，没有任何东西真正地向后穿越时间。波函数的分支发生在光子对产生时。擦除器测量不会撤销分支。它只是以一种方式对分支进行排序，从而在某些子集中显示干涉。真正的退相干，即使日常物体表现出经典行为的不可逆退相干，需要微小的量子纠缠并将其放大到环境中。从这个意义上说，他写道：“延迟选择量子擦除器是一个有用的思想实验，可以思考退相干和环境在测量中的作用。”Carlo Relli 在 1996 年提出的关系量子力学采取了完全不同的方法。对于 Relli 来说，量子态不是独立于观察者的世界属性。一个光子本身没有路径或干涉图案。这些性质仅相对于与光子相互作用的特定系统存在。相对于路径探测器，光子具有确定的路径。相对于擦除该信息的系统，它则没有。而且没有矛盾，因为没有绝对的、独立于观察者的状态。Relli 写道：“量子力学的世界不是一个物体世界，而是一个事件世界，一个关系世界。”对于量子擦除器来说，这意味着信号光子在 D0 处的行为不是光子固有的事实。它是关于光子与其分析其相关性的系统之间关系的事实。由 Christopher Fuchs 和 Reiger Shack 开发的 Cubism 走得更远。在 Cubism 中，量子力学是任何代理人都可以拿起并用来帮助在这个固有的不确定性世界中做出更明智决策的用户手册。波函数不描述物理世界。它描述了代理人关于当他们进行测量时会发生什么的信念。坍缩不是一个物理过程。它是贝叶斯更新，是根据新数据修正信念。量子擦除器中没有逆因果关系，因为没有客观的量子态可以向后改变。从排序数据中出现的干涉图案仅仅是基于新信息更新预测的结果，而这正是相关性总是看起来的样子。由 Robert Griffiths、Murray Gelman 和 James Hartley 开发的一致历史方法提供了另一种解决方案。在该框架中，量子力学将概率分配给整个事件序列，称为历史，但前提是这些历史满足数学一致性条件。询问光子通过了哪个狭缝以及信号是否显示干涉属于不兼容的框架，而该理论禁止在同一分析中组合来自不兼容框架的问题。量子擦除器的明显悖论源于混合这些不兼容的问题。Griffiths 直截了当地说：“超光速影响无法携带信息或任何其他东西，原因很简单，它们不存在。”五种解释，五种关于仪器内部发生情况的不同说法。而令人惊叹的是，它们都对迄今为止已进行或将要进行的每一次实验做出了完全相同的预测。分歧不在于物理学。而在于形而上学，在于数学的含义，在于什么才是真实的。这就是测量问题，自 1927 年以来一直悬而未决。量子擦除器并未解决它，但它澄清了它。它以机械的精度展示了我们的经典直觉在何处崩溃，以及我们被允许或不允许讲述量子事件的故事的类型。有一小部分但认真的物理学家确实认真对待超因果论作为基本物理学的一个特征。值得精确说明他们声称什么，不声称什么。剑桥大学物理学哲学家 Hugh Price 是认为物理学在基本层面应该是时间对称的观点的最清晰的捍卫者。他 1996 年出版的《时间之箭与阿基米德点》一书阐述了他的论点，即如果物理定律在时间反演下是对称的（它们大多是），那么我们坚持只向前因果关系是一种偏见，而不是一个原则。Price 认为，量子力学的悖论是我们不愿考虑未来可能与过去一样重要地决定现在的可能性而付出的代价。2017 年，Price 和物理学家 Matthew Lifer 证明了一个惊人的定理。如果你同时假设物理定律是时间对称的，并且量子态是一个真实的物理实体而不是仅仅一个记账工具，那么超因果关系就是逻辑上的必然。这不是一个松散的哲学论证。这是一个形式结果，它有一个惊人的后果。如果属实，超因果关系将提供一种逃避贝尔定理的方法，因为贝尔的证明假设测量设置独立于隐藏变量。如果未来的测量设置可以影响过去的隐藏变量，那么局部隐藏变量理论就可以再次成为可能。这就是为什么一些严肃的物理学家对此感兴趣，而不是因为关于量子擦除器的 YouTube 视频，而是因为超因果关系可以恢复物理学的局域性。以色列裔美国物理学家 Yakir Aharonov，以 Aharonov-Bohm 效应闻名，他在 1964 年与 Peter Bergman 和 Joel Lebuitz 一起开发了双态矢量形式。在该框架中，一个量子系统不仅由从其制备向前演化的状态描述，还由从其未来测量向后演化的状态描述。这两个向量的组合给出了中间时间更完整的描述。这导致了 1988 年与 David Albert 和 Lev Vaidman 共同发表的弱值理论，其中可观测量的值可能远远超出正常范围。弱值已通过实验证实，并在精密测量中具有实际应用。Vaidman 指出，双态矢量形式与 Hugh Everett 的多世界解释非常吻合。华盛顿大学的 John Cramer 在 1986 年提出了量子力学的交易解释。受 1940 年代惠勒的费曼吸收器理论的启发，Cramer 将量子事件建模为源发出的向前传播的报价波与吸收器发出的向后传播的确认波之间的握手，交易，即完成的握手是时间性的。它不会发生在某个时间点。它就是存在。Ruth Castner 进一步发展了这一点，尽管她也是量子擦除器超因果论主张最尖锐的批评者之一，她认为实验既没有像通常声称的那样擦除，也没有延迟。但这些仍然是少数人的观点。国际伊比利亚纳米技术实验室的物理学家 Lorenzo Catani 在 2025 年发表的一篇题为《延迟选择量子擦除器的谜团》的论文中指出：“据我所知，只有少数研究人员将该实验解释为超因果关系的证据。量子基础领域的主流共识是，该实验可以通过标准量子力学完全解释，而无需诉诸向后因果关系。”争论仍在继续。Price 和 Lifer 的定理是一个具有实际意义的真实结果。Aharonov 的弱值已通过实验证实。Cramer 的交易解释提供了一个连贯但非传统的量子过程图景。这些是严肃的物理学家在做严肃的论证。但量子擦除器本身并不是他们最有力的证据。正如 Johannes Funkhouser 在他 2019 年的论文《驯服延迟选择量子擦除器》中所展示的那样，该实验类似于一个贝尔型场景，其中悖论的解决相当琐碎。因此，确实没有谜团。谜团，如果存在的话，更深藏在纠缠本身的性质以及近一个世纪以来一直未能解决的测量问题中。让我来告诉你那些真正做这个实验的人，因为他们的故事值得了解。Yunho Kim 在 UNMBC 做实验时是一名研究生。他于 2001 年获得了博士学位，师从 Yan Hua Shi，研究双光子量子纠缠。如今，Kim 是韩国浦项科技大学（POSCO）的物理学教授，领导着量子光学与量子信息实验室。他于 2021 年获得韩国科学奖（物理学奖），并于 2022 年当选为 Optica（前身为美国光学学会）会士。他的获奖理由是：“在量子光学领域，通过对弱量子测量进行基础研究和应用，为量子信息技术做出了重大科学贡献。他目前的工作涵盖量子成像、量子通信和原子系综中的单光子陷阱。”Kim 的导师 Yan Hua 于 1989 年在 UNMBC 创立了量子光学实验室，并毕生致力于探索光子纠缠的后果。他是 1995 年演示的鬼成像的共同发明人。这项技术利用纠缠光子对来创建一个物体的图像，而光子从未与该物体相互作用。想想看。你用光照射一个物体，但相机却指向完全不同的地方。相机探测到的光子从未接触过物体。然而，通过将它们与其接触过物体的纠缠伙伴进行关联，你可以重建图像。鬼成像现在被用于从遥感、穿透湍流大气成像等各种应用中。Sh 于 2002 年因其开创性贡献获得了 Willis Lamb 奖章，并撰写了教科书《量子光学导论：光子和双光子物理学》。然后是 Marlon Scully。如果量子擦除器有一个思想上的父亲，那就是 Scully。他出生于 1939 年，在怀俄明州卡斯珀，于 1966 年在耶鲁大学师从 Willis Lamb 获得博士学位，目前同时在德克萨斯 A&M 大学、普林斯顿大学和贝勒大学担任职务。他与 Kyrru 于 1982 年在《物理评论 A》上发表的论文是量子擦除器可以工作的理论提案。技术花了 17 年才赶上。Scully 发表了 700 多篇论文。他的贡献包括 Scully-Lamb 激光量子理论，首次演示了无反转激光，超光速传播在热气体中，以及用于实时检测炭疽的量子相干技术。他的奖项包括美国物理学会的 Scholo 奖和光学学会的 Frederick Ives 奖章，这是他们最高的荣誉。他是美国国家科学院、美国艺术与科学院以及欧洲科学院的成员。他还是德克萨斯州的一名长期养牛者，这为他赢得了“量子牛仔”的绰号。他拥有一个用于牛的定时释放药物丸的专利。这是一个在工作日研究现实基础，在周末管理牲畜的人。Aharonov 和 Zabari 于 2005 年在《科学》杂志上写道，Scully 和 Drill 的量子擦除器效应“极大地强调了我们经典的时间概念与量子过程如何随时间展开之间的区别”。这一评估至今仍然有效。自 Kim 和他的同事于 2000 年发表他们的结果以来，量子擦除器并没有静静地放在架子上收集引用。它催生了一整系列的实验。每一个都在挑战纠缠能力的极限。每一个都在加剧关于量子力学到底告诉我们世界的这个问题的紧迫性。2012 年，Xiao Song Ma、Anton Zylinger 和他们在维也纳大学的团队在《自然物理学》上发表了一篇论文，这可能是自原始擦除器以来概念上最令人不安的量子实验。他们实现了一个以色列物理学家 Asha Peres 在 2000 年去世前几个月提出的思想实验。Peres 提出了一个典型的挑衅性问题：“你能纠缠从未共存的两个粒子吗？”Mah 和 Zelinger 所做的是：他们创建了两个独立的时间对纠缠光子。称它们为第一对和第二对。从第一对中，他们测量了光子 A 并记录了结果。从第二对中，他们测量了光子 D 并记录了结果。然后，他们取了第一对的光子 B 和第二对的光子 C。这两个从未相互纠缠的光子，并对它们进行了一种特殊的联合测量，称为贝尔态测量。这种测量将 B 和 C 相互纠缠，通过一个称为纠缠交换的过程，追溯地纠缠了 A 和 D，这两个已经测量并记录的光子。想想看。光子 A 和 D 从未纠缠过。它们已经被测量并记录了结果，完成，结束，在过去。然后，在对它们各自的伙伴进行测量之后，在它们之间产生了纠缠。当研究人员根据贝尔态测量结果回去对 A 和 D 的数据进行排序时，他们发现了违反贝尔不等式的量子相关性，偏差为 4.7 个标准差。相关性是真实的。它们是非经典的，并且是在事后产生的。作者在措辞上很谨慎，但其含义是惊人的。他们写道，如果将量子态视为一个真实的物理对象，“可能会出现一种悖论情况，即未来的行为似乎对过去和已经不可挽回地记录下来的事件产生了影响。”“似乎”这个词在这句话中起着很大的作用。Ma 和 Zelinger 并未认可超因果关系。他们指出，将量子态解释为真实的物理事物会产生一个谜团，而如果你将其视为计算概率的工具，则不会出现这个谜团。Peres 本人，他提出了这个思想实验，将他 2000 年的论文命名为《延迟选择用于纠缠交换》，并在结尾处写下了量子基础中最具挑衅性的一句话：“未执行的实验没有结果。”他是在强调在测量实际执行之前，为粒子分配确定量子态的徒劳性。“A 和 D 之间的纠缠并不存在，然后被 Victor 的测量追溯地创建。相反，A 和 D 之间的相关性从两个对生成的那一刻起就一直存在于四光子系统的联合量子态中。Victor 的贝尔态测量并没有追溯到过去。它决定了在数据排序时揭示哪些相关性。与 Kim 的擦除器相同的机制。相同的解决方案，相同的隐藏在解决方案之下的真正奇异性。该实验与 Kim 擦除器具有相同的分辨率。只有当您根据贝尔态测量结果对数据进行排序时，才能看到相关性。未排序的数据根本不显示非经典相关性。事后选择，而非超因果关系。但是，排序操作可以追溯地揭示从未纠缠过的粒子之间的违反贝尔不等式的相关性，这我认为是真正令人费解的。即使机制得到了理解，量子擦除器概念自那时以来也被扩展到了原始实验者无法预料的方向。2014 年，由 Pang 领导的一个团队演示了一个使用热光而非纠缠光子对的延迟选择量子擦除器。这很重要，因为人们认为热光（来自普通热源的光）不具备量子干涉所需的相干特性。实验表明，即使是混乱的、看似经典的光，也可以利用量子相关性进行擦除。2019 年，Wang 和同事在《自然光子学》上发表了一篇论文，演示了所谓的量子波粒叠加，处于延迟选择的背景下。他们创造了同时处于波状和粒子状真实量子叠加态的光子。不是一个或另一个取决于测量，而是同时是两者。这超出了玻尔的互补性，玻尔假设波和粒子方面是互斥的。结果并不完全与互补性相矛盾，但它表明该框架需要改进。Angled Greenberger 关系 d^2 + v^2 <= 1 允许部分可区分性和部分可见性，这意味着光子可以同时以中间程度表现出这两种方面。2020 年，研究人员使用存储在量子存储器中的超冷铷原子，通过将量子态存储在原子系综中并在稍后检索它，创建了惠勒延迟选择实验的时间版本。他们证明了延迟选择可以扩展到宏观时间尺度，而不仅仅是光学实验的纳秒。量子存储器将状态保持了微秒，这听起来不长，但考虑到在量子世界中，微秒是一段永恒。大多数量子相干实验在保持叠加态方面仅限于几百纳秒，而这个概念仍在不断扩展。2023 年，Kim 和 Ham 在《科学报告》上发表论文，使用马赫-曾德尔干涉仪中的相干光演示了量子擦除器。2025 年，Yang 和同事使用光子的轨道角动量而不是偏振演示了量子擦除器，为更高维度的量子擦除器打开了大门。Henke 和同事提议在透射电子显微镜中使用快速电子来创建量子擦除器，这将证明自由电子与光之间的纠缠，从而弥合量子光学和电子显微镜之间的差距。双缝实验本身已被推向惊人的规模。现在已经证明了具有多达 25,000 个原子质量单位（约 2,000 个原子）的分子之间的干涉。这些不是亚原子粒子。它们是真正的分子，比单个光子或电子复杂得多，并且在路径信息不可用的情况下，它们仍然显示出量子干涉。量子世界并未止步于原子尺度。它向上延伸，我们仍然不知道它在哪里停止，或者是否停止。用于最大干涉实验的分子是合成有机化合物，专门构建成尽可能大，同时仍能以分子束发射。它们比一些病毒更宽。如果你能将大约 10,000 个分子首尾相连，它们的宽度将跨越一根人类头发的宽度。而这些含有数千个质子、中子和电子的分子，以复杂的化学结构结合在一起，会穿过一个光栅并与自身发生干涉，就像单个光子一样。它同时穿过所有狭缝，或者它不穿过任何狭缝，或者这个问题不适用。数学不关心分子有多大。它只关心环境是否记录了采取了哪条路径。目前的边界是将这种边界推向生物分子，并最终可能推向纳米机械物体。存在着使用包含数百万个原子的物体进行双缝实验的提案。一些理论家推测，使用肉眼可见的物体来测试量子叠加。尽管技术挑战巨大，退相干是敌人。物体越大，环境与之纠缠得越厉害，在周围空气分子、光子和引力涨落的热路径中记录路径信息。为了观察干涉，可能需要比深空真空好不了多少的条件，才能将宏观物体与环境退相干隔离开足够长的时间。但是，没有已知的物理原理设定了硬性界限，没有尺寸限制，没有质量限制，只有一个实际的墙壁，它越来越难以扩展。这是量子擦除器最深刻的含义。经典世界，即具有确定位置和确定历史以及物体在这里而不是那里的世界，不是一个由独立定律支配的独立领域。它是通过压倒性冗余的环境测量的透镜来看待的量子世界。从量子到经典的过渡不是相变。它是与环境的纠缠的定量积累，以如此迅速和不可逆的方式堆积，以至于任何可想象的擦除器都无法撤销它。也许量子擦除器最超现实的后代是量子薛定谔猫。一个听起来像是路易斯·卡罗尔设计，并由过于认真对待这个笑话的人建造的实验。2014 年，维也纳技术大学的 Tobias Denkmire 和同事利用中子干涉测量来演示他们所谓的“粒子与其某个性质的分离”。他们让中子穿过硅晶体干涉仪，并表明中子本身沿着一条路径传播，而其磁矩（其自旋）沿着另一条路径传播。猫在一个地方。它的笑容在别处。要理解这有多奇怪，想想磁矩是什么。它不是附着在中子上的独立事物。它是中子的基本属性，对其来说就像其质量或电荷一样内在。说中子走了一条路，而它的自旋走了另一条路，就像说你穿过一扇门，但你的身高穿过了窗户。这违背了关于性质属于一个对象的含义的每一个直觉。然而，弱测量数据恰恰显示了这种分离。2020 年，Kim 和同事演示了量子薛定谔猫之间的“笑容交换”，其中两个光子似乎交换了它们的极化，而从未在经典上相遇。想象一下，两个房间里的两只猫以某种方式交换了微笑，而没有一只猫去过另一个房间。这大致就是 2023 年发生的事情。进行了一个延迟选择版本，将薛定谔猫效应与延迟选择范式相结合。这意味着关于是否观察到分离的决定是在中子已经通过干涉仪之后做出的。2024 年的一项研究提出了重要问题，即粒子是否真的与其性质分离，或者该效应是否取决于测量框架，这呼应了量子擦除器中出现的同样的事后选择问题。争论仍在继续并日益激烈。一些物理学家认为薛定谔猫是一个真正的本体论惊喜。另一些人则认为它是弱测量统计的产物，其意义与任何事后选择的子集一样有意义或无意义。但我们正在认真讨论粒子与其自身物理性质分离的实验这一事实，说明了量子擦除器遗产的延伸程度。它迫使物理学家以一种前所未有的精确度思考路径信息、测量和纠缠，从而打开了意想不到的大门。2018 年，Rafael Chavez 和同事利用因果建模的数学方法（一种将因果关系转化为严格图形结构的框架）识别了惠勒原始延迟选择论证中的一个微妙的漏洞。他们表明，一类经典模型原则上可以重现延迟选择结果，如果放松某些关于统计独立性的假设。特别是，如果允许测量设置与隐藏变量相关，则局部实在论模型可以模仿量子预测。这就是贝尔不等式中出现的同一个漏洞，有时被称为“自由选择”或“超决定论”漏洞。三个实验团队竞相关闭它。方法是使用随机数生成器，其输出已认证独立于实验条件。2018 年 7 月在《量子杂志》上报道的结果证实，一类倡导实在论的经典模型无法解释。
结果。量子预测得到了证实。这个漏洞被堵上了，而奇异性依然存在。现在，对于那些思维受经典物理学束缚的人来说，又少了一个逃避的途径。让我给你们一些数字，将这个抽象概念与物理现实联系起来。因为量子擦除器可能会让人感觉纯粹是哲学，直到你意识到我所描述的一切都发生在真实的实验室中，由真实的仪器测量真实的 the 子的身上。Kim 实验中的泵浦激光器工作在 351.1 纳米。那是紫外线，人眼看不见，波长大约是典型细菌直径的五分之一。它产生的纠缠光子波长为 72.2 纳米，近红外，刚好在人眼能探测到的红色边缘之外。如果你能看到近红外线，这些光子会呈现出一种深邃得不可思议的红色。作为参照，一根头发的直径大约是 70,000 纳米。光子的波长大约是它的百分之一。BBO 晶体上产生纠缠对的两个区域，A 区和 B 区，相距 7/10 毫米，每个区域大约 3/10 毫米宽。整个量子戏剧发生在一个你可以用一粒沙子覆盖的空间里。BBO 晶体本身，即β硼酸钡，是量子光学领域的中坚力量。它于 20 世纪 80 年代首次合成，并因其宽透明范围、大非线性系数和高损伤阈值而迅速成为参量下转换实验的标准。但下转换过程的效率却极其低下。大约一百万个泵浦光子中只有一个会产生纠缠对。其余的 999,999 个光子会穿过晶体，什么有趣的事情也没发生。要积累足够多的符合计数以获得统计学上有意义的结果，需要数小时的耐心数据收集。信号光子和闲置光子之间的路径长度差约为 2.5 米。光每纳秒传播约 30 厘米。因此，走较长路径通过分束器和反射镜的闲置光子，在其探测器上到达的时间比其信号孪生光子已经击中 D0 的时间晚了大约 8 纳秒，也就是八十亿分之一秒。以人类的尺度来说，这简直是眨眼之间，比心跳还要快。但探测器的时间分辨率约为 1 纳秒，这意味着顺序是明确的，而且是八次。对于 Mah 和 Zylinger 的类空间分离版本，距离更是令人瞠目结舌。维也纳的 55 米光纤链路是一回事，但拉帕尔马岛和特内里费岛之间 144 公里的自由空间链路横跨开阔的海洋。144 公里大约是伦敦到伯明翰，或者纽约市到纽黑文的距离。纠缠光子在一个火山岛上产生，尖叫着穿过大气层到达另一个岛屿，并以足够的精度进行测量，以证明 0.951 的干涉可见度。也就是说，达到了最大可能对比度的 95%。作为比较，1801 年托马斯·杨的原始实验使用了阳光和两个小孔。将杨和泽林格隔开的技术跨越了两个世纪和多次物理学革命。但根本问题是同一个问题，托马斯·杨在看到屏幕上明暗条纹时问的：光在光源和探测器之间做什么？杨有一个答案。它是波。20 世纪将这个答案复杂化到面目全非。而量子擦除器则暗示，也许问题本身就是问题所在。这里有另一种感受事件规模的方式。当 BBO 晶体产生纠缠对时，两个光子在大约几飞秒的时间窗口内产生。一飞秒是十亿分之一秒的百万分之一。在一飞秒内，光传播约 300 纳米，大约是晶体上一个照明区域的宽度。因此，纠缠对诞生在一个比细菌还小的空间里，在一个比任何化学反应都短的时间里。从那个微小的创生点开始，相关性向外延伸，在 Kim 实验中跨越数米，在 Zylinger 版本中跨越 144 公里，保持它们的量子相干性。就好像在同一个医院房间里同一天出生的两个人，保持着一种牢不可破的联系，决定了他们将来每一次抛硬币的结果，无论他们相隔多远。除了它不是一种隐藏的协议。贝尔定理证明，没有任何预先安排的策略可以复制量子相关性。这种联系是真实的，不可约的，并且无法用任何经典术语来解释。下转换效率本身就说明了这类科学所需的耐心。每百万个泵浦光子才有一个纠缠对。而且在峰值时，符合率大约是每扫描位置 140 次计数，实验者不得不坐着等待，而仪器则一点一点地、一对一对地悄悄积累数据。数小时。每一次符合计数都代表了一个单一的纠缠对，它恰好被产生，恰好其信号光子落在了那个特定的扫描位置，并且恰好其闲置光子在符合窗口内到达了正确的探测器。激光产生的大部分光子根本没有起到任何有用的作用。信号被淹没在无关事件的海洋中。要提取它需要细致的校准、精确的对准，最重要的是，时间。那么，这一切把我们带到了哪里？让我尽可能清晰地说明延迟选择量子擦除器实际演示了什么。剥离所有误解、所有耸人听闻的标题、所有流行科学的夸大其词。第一，量子系统在经典意义上没有确定的历史。一个穿过双缝的光子不是通过缝 A 或缝 B 或两者。它进入一个量子态，这个量子态是这两种可能性的叠加。而这个状态直到测量创造了一个确定的历史才分解。不同的测量从同一个底层状态创造出不同的历史。第二，干涉不是孤立观察到的单个粒子的性质。它是相关性的性质。当一个光子与另一个系统纠缠时，干涉图案并没有消失。它隐藏在两个系统之间的联合相关性中。可以通过对伙伴系统进行适当的测量来提取它，但只能通过后选择，而不能通过单独观察光子来提取。第三，信息而非物理扰动决定了干涉是否发生。无论在宇宙中的任何地方，以任何物理系统存储的“路径信息”的存在，即使没有人阅读它，也足以抑制干涉。破坏这些信息可以恢复相关数据子集中的干涉。这不是一个机械过程。这是一个信息过程，它告诉我们关于信息与物理现实之间关系的一些深刻的东西。第四，纠缠粒子之间的量子相关性是非局域的。它们比任何经典机制产生的都要强，但却不能用于信号传递。这是由无通信定理保证的，并且与狭义相对论一致。宇宙允许非局域相关性，但在可观测信号层面强制执行局域因果律。它是如何做到这一点的，是物理学中最深刻的未解之谜之一。第五，这一切都不需要意识、观察者、自由意志或任何其他神秘成分。退相干，即量子系统与其环境的纠缠，是一个持续自动发生的物理过程。它不需要心智。它只需要一个产生相关性的相互作用。一个偶然的分子在其中一个缝隙附近撞击光子就足够了。日常物体不显示量子干涉的原因不是因为它们太大。而是因为它们与太多环境粒子相互作用。一个在空中飞行的棒球每秒钟与数万亿个空气分子纠缠。它的路径信息在其环境的热浴中被记录了数万亿次。没有任何量子擦除器能够擦除如此多的信息。经典世界从量子世界中出现，不是通过某种基本界限，不是通过哥本哈根学派提出的海森堡切割，而是通过环境退相干的巨大冗余。我们生活在一个被周围的一切反复测量过的世界里，直到量子干涉的痕迹消失殆尽。第六，这一切都不是超因果的。记录在原始数据中的过去永远不会改变。改变的是我们如何对这些数据进行分类。而分类需要尊重光速的经典信息交换。未来不会改写过去。过去包含隐藏的结构，这些结构可以通过未来关于如何分析相关性的选择来揭示。这六点在研究量子基础的物理学家中没有争议。它们是共识。争议在于其根本原因，在于数学的含义，在于波函数是真实的物理实体还是计算概率的工具，在于宇宙是否在每次测量发生时都会分支，或者量子态是否相对于观察者而言，或者过去和未来是否以我们尚未理解的方式相互作用。这些是严肃的人们进行严肃论证的真正未解之谜。但实验本身，实验是清晰的。然而，即使是最谨慎、最精确的技术描述的量子擦除器也无法完全捕捉到某些东西。某些东西存在于数学、探测器配置和符合计数电路之下。理查德·费曼说，没有人理解量子力学。他的意思不是没有人能做计算。他的意思是，没有人对基本层面的现实有一个令人满意的图景。方程是有效的。它们以惊人的精度预测了有史以来进行的每一次实验的结果。但方程拒绝讲述一个关于测量之间发生的事情的连贯故事。它们给你开始和结束，惠勒龙的尖锐尾巴和尖锐的嘴巴。它们不给你身体。量子擦除器将这种拒绝推向了几乎痛苦的程度。它向我们呈现了数据，这些数据可以根据我们如何分割它而被组织成互补的干涉图案，或者被组织成无特征的驼峰。数据本身没有改变。改变的只是我们从中提取的故事，而每个故事都是内部一致的并且经过实验证实。但这些故事是相互排斥的。光子是波吗？看看 D1 符合数据。是的，显然它是波。它穿过了两个缝隙并产生了干涉。光子是粒子吗？看看 D3 符合数据。是的，显然它是粒子。它穿过了一个缝隙，没有产生干涉。它是两者兼有吗？看看总的未排序数据。它两者都不是。它是所有故事的无特征平均值，不属于任何一个。量子擦除器并没有回答光子是什么的问题。它做了更重要的事情。它表明，用经典物体的语言提出的问题没有答案。光子不是波。它不是粒子。它不是两者兼有。它不是两者都不是。它是一个量子系统，而量子系统无法映射到人类心智为理解而演化出的任何类别。我们是为了追踪中等大小的物体在三维空间中以中等速度移动而演化出来的。我们不是为了直观地理解希尔伯特空间中概率幅的行为而演化出来的。量子力学的奇异性不是物理学的失败。它是直觉的失败，而量子擦除器以非同寻常的清晰度将这种失败展现在我们面前。但这是我反复回味的事情。实验是有效的。预测被以非凡的精度证实。数学描述了现实，即使我们无法想象数学所描述的内容。无论在光源和探测器之间，在惠勒龙的尾巴和嘴巴之间发生了什么，它都遵循着精确、可重复的定律，我们可以写下来并进行检验。宇宙不是反复无常的。它不是随机的。它遵循规则。我们只是无法想象这些规则在运作。也许这就足够了。也许物理学从来就不应该提供一个图景。也许它一直以来都只是提供一个微积分，一套允许你以任意精度预测结果的程序。牛顿给我们描绘了引力是一种作用于空间的力。爱因斯坦用弯曲时空的图景取代了它。但量子力学完全抗拒图景。我们试图强加的每一个图景，粒子遵循轨迹，波在空间中传播，平行宇宙分支，信息逆时流。每一个都捕捉了真相的某些方面，而遗漏了其他方面。量子擦除器几乎以戏剧性的精度展示了这一点。尼尔斯·玻尔，他花在思考这个问题上的时间可能比任何一个活过的人都多，得出了一个听起来很失败主义，但可能是最诚实的结论。他说，物理学不是关于世界是什么样的，而是关于我们能说什么关于世界，不是关于什么真实，而是关于什么可以有意义地讨论。量子擦除器稳稳地落在了玻尔的论点一边。你可以讨论 D1 子集中的干涉图案。你可以讨论 D3 子集中的无特征驼峰。你可以讨论纠缠态、符合计数和后选择。你不能在自相矛盾或与数据相悖的情况下，描述光子在晶体和探测器之间做了什么。龙的身体是烟雾。不是因为我们缺乏更好的仪器，而是因为烟雾就是答案。1801 年，托马斯·杨将阳光穿过两个孔，并在墙上看到了明暗条纹。他得出结论，光是一种波。那是故事的开端。1989 年，赤崎勇将单个电子一次一个地穿过双棱镜，并观察到干涉图案一点一点地形成。那是故事的中间。1999 年，金允浩将紫外光射入硼酸钡晶体，并观察到纠缠光子揭示了只有当你询问它们的伙伴时才能显现的干涉图案。这些问题可以在事后从远处提出，而没有信号连接两者。那不是故事的结局。可能没有结局。连接杨的阳光小孔、金的纠缠光子和泽林格的 144 公里跨海旅行的，不仅仅是技术进步。而是一种日益加深的对抗，对抗同一个无法回答的问题。每一代实验者都找到了更复杂的方式来询问光在光源和探测器之间做什么。每一代人都得到了同样的回答。宇宙会告诉你光子从哪里开始。它会告诉你光子在哪里结束。它不会告诉你中间的故事。而这正是我觉得整个事件最令人称奇的地方。这种沉默不是我们技术的局限。更好的探测器无法穿透它。更快的计算机也无法破解它。这种沉默是理论本身的特征。量子力学，科学史上经过最精确检验的理论，在某些计算中精确到小数点后 14 位。该理论在其自身的数学形式中，就包含着某些问题没有答案的声明，不是我们找不到答案，而是答案不存在。量子擦除器并没有打破现实。现实一直都是这样的。我们只是没有关注正确的实验。惠勒那条巨大的烟雾龙仍然盘旋在光源和探测器之间的迷雾中。它的尾巴是尖锐的。它的嘴巴是尖锐的。它的身体仍然是模糊不清的。而经过 225 年日益巧妙的实验，物理学对这条龙的身体所能说的最诚实的话，与惠勒在 1983 年所说的相同。我们无权发言，但我们可以倾听。而数据告诉我们的是，如果我们足够有耐心和诚实去倾听，宇宙没有义务去迎合那些为了在非洲草原上躲避捕食者而演化出来的生物的理解。它没有义务提供一个图景。它只被要求保持一致，而且它每次都完美地、令人抓狂地、美丽地保持一致。