量子擦除器
标出光子走了哪条缝,双缝条纹便消亡。擦除那个标记,它们又回来,但只在你把命中按擦除器的两路通道分拣时。整块屏永远平坦。而这个选择可以一直等到光子落屏之后再做。
打开互动演示 ▸ 你看到的是什么
两块面板,一个实验。顶部是一张非等比例的示意图:左边一个光源,中间一道开了两条缝的屏障,右边一面屏。下方就是那面屏,正面看去,随着光子抵达一个亮点一个亮点地填满。这就是双缝装置,只是多加了两样:缝后紧贴着一个路径标记,屏前立着一台45° 擦除器。
台面上有三种配置,读屏则有两种方式。① 开放:无标记,亮点堆成明亮的条纹,一道波穿过两缝。② 标记路径:一缝后放 H 偏振片,另一缝后放 V,条纹便消亡,尽管没有人去看。③ 擦除:把对角分析器滑进来。此时视图开关才是关键所在:在合并的屏上,每个光子一起计数,图样依然平坦;切到分拣的 ± 通道,同一批命中按分析器的两路输出分开,一路是条纹,另一路是它精确的反条纹。
那两种颜色,是擦除器的 + 与 − 通道。看它们做了什么:分开时各自带纹;加在一起时,彼此填上对方的空隙,屏又变得毫无特征。你可以自己开关标记与擦除器,把分析器角度 φ 从 0° 拖到 45°,在合并视图与分拣视图之间切换,还能打开延迟选择:擦除的决定搭在一个远处的闲置光子上,可以在光子已被记录之后才做出。
它为什么在这里
工作原理
从远场双缝强度出发:env(y)·[1 + cos δ],即单缝包络乘以双缝干涉,相位 δ = 2πd·sinθ/λ。这就是配置 ①,满条纹。
标记在两缝后放上正交偏振,一缝 H,另一缝 V。光子的路径如今被写进一个可以被读取的自由度,于是两条路不再共享一个能够干涉的态。图样坍成一条平坦的 env(y)。关键在于:无论有没有人去测那偏振,这都会发生。要紧的是可分辨性,而非观测。
擦除器是一台立在屏前、角度为 φ 的偏振片(分析器),有两路输出,记作 + 与 −。把 H/V 标签投影到那个共同基上,得到 P±(y) ∝ env(y)·[1 ± sin(2φ)·cos δ]。φ = 45° 时两路各是一条满条纹与一条满反条纹;φ = 0 时分析器只是重新读出路径,两路都变平。分拣可见度为 V = |sin 2φ|。
现在说到这些演示所围绕的那一点:P₊ + P₋ = 2·env(y)。一旦路径被标记,总屏,即不分通道的每一个光子,便永远平坦。条纹只存在于光子落点与它所去通道之间的关联里。这正是延迟选择无害的原因:你可以在信号光子被探测之后再决定擦不擦除,因为你并没有改变它的落点,你只是在选择如何分拣一份稍后才读的清单。单看屏本身的任何记录,都从不显现条纹,所以没有信号被传出,也没有任何事被撤销。
那些公式、那块平坦的总屏、V = sin2φ 的交换与互补性上限,都是精确、已确立的物理。模拟所风格化的是那出布景:一个单光子源替代了纠缠的信号/闲置光子对,± 通道替代了符合计数,装置则是一张清晰可读的示意图。这些都不改变实验自 1982 年以来给出的判决:擦除揭示一条隐藏的条纹,它并不改写过去。
三种配置,两种视图
- ① 开放:无标记,两条路不可分辨。满干涉,寻常的双缝。有条纹。
- ② 标记路径:一缝后 H,另一缝后 V。路径可知,波便无法与自身干涉。平坦,没有人去看。
- ③ 擦除:一台 45° 分析器擦除标签。只要你把每个光子一起计数,它就依然平坦。
- 视图:合并 → 分拣 ±:同一批命中,按分析器的 + 与 − 输出分开。条纹与反条纹,相加又回到平坦。
准确性
在「精确」与「为呈现而布景」之间的诚实界线:
| 特征 | 等级 | 含义 |
|---|---|---|
| 标记后图样平坦:给路径打标签(缝后 H/V)便摧毁条纹 | T1 已确立 | 路径标记根本无需被读取就能杀死干涉,让路径「可知」就已足够。每一种标记实现都证实了这一点(Walborn 2002;Dürr–Nonn–Rempe 1998)。 |
| 擦除后的子集:P±(y) ∝ env·[1 ± sin(2φ)·cos δ] | T1 已确立 | 一台角度为 φ 的对角分析器把 H/V 标签投影到共同基上。两路输出各携带一条条纹与一条反条纹,恰好错开半个周期。 |
| 总屏永远平坦:P₊ + P₋ = 2·env | T1 已确立 | 这正是反奥秘的一步。擦除并未在原始计数里复原任何你能看到的东西;一旦路径被标记,总和便永不干涉。只有分拣后的子集才干涉。 |
| 分拣条纹可见度 V = |sin 2φ|;互补性 V² + D² ≤ 1 | T1 已确立 | φ = 0 读出路径(V = 0,完全可分辨);φ = 45° 完全擦除(V = 1)。这份交换正是 Englert(1996) 的上限,由滑块连成一条曲线。 |
| 延迟选择:擦或不擦可以在信号被探测之后再决定 | T1 已确立 | 用纠缠对与一个远处、有时在因果上隔断的闲置光子演示(Kim 2000;Ma–Zeilinger 2013)。结果与非延迟情形完全相同。 |
| 「擦除」对实在意味着什么;过去是否被「改变」 | T2 理论 | 并没有。没有信息回传;分拣只是揭示了一份早已固定在联合记录里的关联。但波函数「是」什么,仍取决于诠释,一如双缝页所述。 |
| 单一光子源;一个干净的分析器角度 φ | T3 风格化 | 实验室里的擦除器用纠缠的信号/闲置光子对与两台探测器间的符合计数;这里的 ± 通道就是那个划分的替身。图样的物理是忠实的。 |
| 实标尺数字(条纹间距 Δy = λL/d)、束流速度、缝尺寸 | T3 风格化 | 几何由 λ = 632.8 nm 作数量级估算而诚实;缝宽取人体尺度,亮点的累积也远比任何单光子源快。 |
| 装置示意图、标记刻线、旋转的擦除器条 | T4 示意性 | 一张非等比例示意图:顶部那条展示光源 → 打标签的缝 → 分析器 → 屏,好让各部件清晰可辨。忠于逻辑,而非光学布局。 |
一句话: 标记后图样变平、P±(y) 的条纹/反条纹分裂、永远平坦的总和、V = sin2φ 与延迟选择,都是精确、已确立的物理;唯有单光子的布景、替代符合计数的 ± 通道,以及那张装置示意图,被简化了,好让你看见方程在说什么。而这一切都不意味着一条送往过去的消息。
资料来源
- Scully, M. O., & Drühl, K. (1982). Quantum Eraser: A Proposed Photon Correlation Experiment Concerning Observation and "Delayed Choice" in Quantum Mechanics. Phys. Rev. A 25, 2208. The original proposal.
- Englert, B.-G. (1996). Fringe Visibility and Which-Way Information: An Inequality. Phys. Rev. Lett. 77, 2154. The V² + D² ≤ 1 bound the eraser rides.
- Dürr, S., Nonn, T., & Rempe, G. (1998). Origin of Quantum-Mechanical Complementarity Probed by a "Which-Way" Experiment in an Atom Interferometer. Nature 395, 33. Marking without momentum kick still kills fringes.
- Kim, Y.-H., Yu, R., Kulik, S. P., Shih, Y., & Scully, M. O. (2000). Delayed "Choice" Quantum Eraser. Phys. Rev. Lett. 84, 1. The canonical entangled-photon realisation with coincidence counting.
- Walborn, S. P., Terra Cunha, M. O., Pádua, S., & Monken, C. H. (2002). Double-Slit Quantum Eraser. Phys. Rev. A 65, 033818. Quarter-wave plates tag the paths; a polarizer erases. The layout closest to this sim.
- Jacques, V., et al. (2007). Experimental Realization of Wheeler’s Delayed-Choice Gedanken Experiment. Science 315, 966. Single photons, the choice made after entry.
- Ma, X.-S., et al. (2013). Quantum Erasure with Causally Disconnected Choice. PNAS 110, 1221. The erase decision spacelike-separated from the detection.