启科Q课堂：量子柴郡猫的微笑

上期的启科Q课堂，

给大家介绍了超越生死的“薛定谔的猫”，

其实在量子世界里，还有一只神秘喵——

它的名字叫做量子柴郡猫。

看过《爱丽丝梦游仙境》的都知道，里面有一只会咧嘴笑的柴郡猫，它的身体凭空消失后，笑容还挂在半空中。很多人认为柴郡猫只存在于童话故事中，其实在量子世界里，“柴郡猫”是真实存在的。

在宏观的经典世界中，物体的物理属性比如质量、体积等，与物体本身不可分离，但在微观的量子世界里则有所不同，如果把笑容认为是柴郡猫的一个属性，那么只留下笑容而身体消失，意味着柴郡猫的位置与它的属性分离，而物理学家发现这种位置与属性分离的柴郡猫还真的存在。

猫——实际上是一个粒子

微笑——粒子的某些属性

2013年有理论研究认为，微观粒子的物理属性（如电子的电荷和自旋、光子的偏振等）可以和其本体分离，这种现象被沃尔夫奖获得者亚基尔·阿哈罗诺夫（Yakir Aharonov）等人称之为“量子柴郡猫”（quantum Cheshire cat）。在2014年时，物理学家通过实验，发现微观粒子的一些物理属性可以从它自身中剥离出来。实验中，物理学家在某一点发现了光子的存在，却在另一点检测到了该光子的偏振。

整个系统由一个干涉仪构成，其中光子在经过分束镜后，可以选择上下两个路径。“我们可以通过对光子实施两组所谓的弱测量来揭示光子本体和其属性的分离，其中一组用于测量光子本体所处的位置，另一组则用于测量其自旋状态，也就是柴郡猫的笑脸的位置，测量结果则由弱值描述。”

猫的本体和它的笑脸分离

亚基尔·阿哈罗诺夫等人发现，通过精巧设置合适的前后选择态，就可以将柴郡猫（光子）与其笑脸（光子的自旋（偏振））分离。具体来说，在干涉仪的上路径中，对路径及条件自旋观测量实施的弱测量给出相应的弱值分别为0和1，也就是说，有一个没有猫的笑脸出现在该路径中。相应的，在下路径中实施的弱测量得到的弱值分别为1和0，也就是说，下路径中出现了一只没有笑脸的猫。简而言之，在干涉仪中“量子柴郡猫”和它的笑脸被分开了。

当你还迷惑于猫与笑脸分离的时候，我国科学家在去年首次利用双光子系统实现了两只“量子柴郡猫”交换笑脸。他们使用对系统施加微扰的新方法，解决了多体量子系统弱值提取的难题，并制备出双光子超纠缠态，获得光子的路径和偏振观测量的弱值。实验观测到两光子都处于偏振属性和光子本体分离的状态，并各自得到了另一光子的偏振，实现了两只“量子柴郡猫”的无接触笑脸互换。

关于弱测量

弱测量的概念最早由Aharonov， Albert和 Vaidman在1988年提出，他们指出在有先后选择的情况下测量结果可以被明显地放大。弱测量名字的来源于这个理论中所考虑的测量系统和测量仪器之间的耦合强度比较弱。

量子弱测量过程可以分为三个步骤：前选择，进行系统初始态制备；弱耦合，引入探针和系统的弱相互作用；后选择，进行末态的选择。通过弱测量可以得到系统物理量的弱值，被广泛应用于超灵敏的物体偏转、时间延迟、温度变化、速度测量、非线性效应等微小物理量的测量。

量子世界神秘莫测，除了薛定谔的猫和量子柴郡猫，可能后来还会有更多的喵加入，让我们一起走进量子世界，一起喵喵喵喵喵。

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