如何偷窥薛定谔的猫而不打扰它？
时间：2019-12-04 来源：新闻网 人浏览 -
薛定谔的猫是一个量子系统，代表了量子物理学中最大的谜题之一：如何测量一个量子系统而不改变它？
新浪科技讯 北京时间12月4日消息，薛定谔的猫是由奥地利物理学家埃尔温·薛定谔于1935年提出的一个著名的思想实验，描述了亚原子粒子的神秘行为。现在，通过一种新方法，我们或许可以在不杀死这只（假想中的）猫的情况下，对它进行观察。
在这个思想实验中，盒子里的猫同时处于生存与死亡的状态，或者说处于“生”与“死”的叠加态，就像亚原子粒子同时以多种状态叠加存在一样。但是，当我们打开盒子观察其内部时，就会改变猫的状态，观察到一只活猫或一只死猫。
然而，在10月1日发表于《新物理学期刊》（New Journal of Physics）上的一项研究中，研究人员描述了一种既能观察到猫，又不会迫使其它活着或死亡的可能方法。通过这种方法，科学家或许能加深对物理学中一个最基本悖论的理解。
在我们这个常规的大尺度世界中，观察一个物体似乎并不会导致其改变。但如果尺度足够小，情况就不是这样了。该研究的第一作者、日本广岛大学物理学助理教授霍尔格·霍夫曼（Holger F。 Hofmann）说：“我们通常认为，为了观察所付出的代价是微不足道的。这是不准确的。为了观察，你必须用到光，而光会改变物体。”因为即使是单个光子，也会将能量从你所看到的物体中转移出去，或者转移到物体上。
霍夫曼和当时在广岛大学做访问本科生、现在在印度理工学院孟买分校工作的卡尔蒂克·派特卡尔（Kartik Patekar）想知道，有没有一种方法可以让人们在不“付出代价”的情况下进行观察。他们得出了一个数学框架，将最初的互动（观察猫）和结果读取（知道猫是死是活）分隔开来。
“我们的主要动机是非常仔细地观察量子测量发生的方式，”霍夫曼说，“关键在于，我们把测量分为两个步骤。”通过这么做，霍夫曼和派特卡尔得以假设所有参与初始相互作用（观察猫）的光子都能被捕获，而不会丢失关于猫的状态的任何信息。所以在读取结果之前，所有关于猫的状态（以及观察是如何改变其状态）的信息都是可获得的。只有当我们读取信息时，才会失去了一部分信息。
霍夫曼说：“有趣的是，读取过程会选择这两种信息中的一种，然后完全抹去另一种。”以下就是他们如何用“薛定谔的猫”来描述他们的工作。假设猫还在盒子里，我们不是通过观察内部来确定猫是死是活，而是在盒子外面设置一个相机，通过某种方式拍摄一张盒子内部的照片（这只是一个思想实验，请忽略这个相机在物理学上行不通的事实）。一旦拍摄了这样一张照片，相机就具有两个信息：猫的状态如何因为拍摄照片而改变（研究人员称之为量子标记），以及猫在拍摄之后是死是活。此时这些信息都还没有丢失，你可以获得其中一个信息或另一个信息，这取决于你选择如何“冲洗”这张照片。
霍夫曼在接受采访时表示，这个过程就像抛硬币一样。你可以选择知道一枚硬币是否翻转，也可以选择知道硬币现在是正面还是反面，但你不可能两者都知道。更重要的是，如果你知道一个量子系统是如何变化的，而且假设这个变化是可逆的，那么就有可能恢复它的初始状态（就像你可以把硬币翻转回去）。
“你总是会先干扰系统，但有时，你可以撤销这种干扰，”霍夫曼说道。就薛定谔的猫而言，这意味着先拍摄一张照片，但我们不是把照片冲洗出来看清楚猫的状态，而是通过某种“冲洗”方式，使猫恢复到生与死的叠加态。换句话说，现在照片与猫的命运纠缠在一起，我们选择不同的方式处理照片，就会决定猫身上发生什么。
重要的是，读取结果的选择需要在测量的分辨率和干扰之间进行权衡，二者是完全等价的。分辨率是指从量子系统中提取了多少信息，而干扰是指系统发生了多少不可逆的变化。换句话说，你越了解猫的当前状态，你对它的改变就越无法挽回。
“我发现最令人惊讶的是，消除干扰的能力与你观察到多少信息（或测量到的物理量）直接相关，” 霍夫曼说，“这里的数学是相当精确的。”
澳大利亚国立大学的理论物理学家迈克尔·霍尔（Michael Hall）没有参与这项研究，他表示，尽管之前的研究指出了在量子测量中分辨率和干扰之间的权衡，但这篇论文是第一次对确切的关系进行了量化。“据我所知，以往的研究结果中，没有涉及到分辨率和干扰的确切等式，”霍尔说，“这一结果使得论文中的方法非常简洁。”（任天）