量子擦除实验

干涉仪实验

量子擦除实验（quantum eraser experiment）是一种干涉仪实验，它可以用来演示量子纠缠、量子互补等等基本理论。

简介

量子力学里。本条目所论述的量子擦除实验使用双缝干涉仪来制成干涉图样，这实验有三个步骤：

在干涉仪实验里，干涉图样的可视性与路径信息是两个互补变量，根据互补原理，假若越能分辨路径信息，则干涉图样可视性越低，假若干涉图样可视性越高，则越无法分辨路径信息。这好似无法同时看到硬币的两面。

1982年，物理学者马兰·史库理（Marlan Scully）与凯·德鲁（Kai Drühl）最先提出量子擦除实验的点子，他们表明，假设测得粒子的路径信息，则观察不到干涉图样，不管是否搅扰到粒子，但是，假设能够用某种方法擦除路径信息，则干涉图样又可被观察到。1991年，史库理、柏投·恩格勒（Berthold Englert）与贺柏·沃尔特（Herbert Walther）给出实现这实验的方法。后来，物理学者又设计出很多种不同的量子擦除实验。

量子擦除技术可以用来提升显微镜的分辨率。

主要内容

本条目所论述的双缝量子擦除实验是杨氏双缝实验的一种变版。假设在杨氏双缝实验里，观测光子到底穿过的是哪条狭缝，则光子会因此无法与自己相互干涉。假设整个光束的每一个光子都像这样被观测所通过的狭缝，则先前在探测屏显示出的杨氏双缝实验干涉图案会被消毁。这意味着路径信息与干涉图样可视性是彼此互补的变量。原先，物理学者认为，根据海森堡不确定性原理，在搜集路径信息时，不可避免地搅扰了光子的运动，连带使得干涉图样也被洗掉了。后来，物理学者又证实，光子与探测路径仪器（标记器）之间的量子纠缠也会造成干涉图样被洗掉，完全不需引用海森堡不确定性原理的机制。这实验结果引出一个特别深奥的问题：互补原理是否比不确定性原理更为基础？

在本条目所描述的量子擦除实验里，搜集路径径信息并没有不可逆反地搅扰光子，只是按照光子通过的狭缝将光子贴上标签，稍后，又将这标签擦除。贴上标签的光子不能够与贴上不同标签的自己相互干涉，因为这两种标签相互正交，后果是干涉图样被洗掉。然而贴上标签的光子，若标签又被擦除，则光子又可以与自己相互干涉，后果是杨氏双缝实验的特征干涉图样会被再度显示出来。

本实验的装置在空间方面可以分为两个区域。应用自发参量下转换技术制成一对纠缠光子对，其两个光子会分别移动于这两个区域，彼此不会遭遇到对方。现在，假若移动于其中任意一个区域的光子被搅扰，则由于量子纠缠，移动于另外一个区域的光子会被影响，尽管两个区域可能在空间上相隔很遥远。这是一种涉及到超距作用的现象。在第二区域的探测屏所显示的干涉图样可以被消毁或恢复，完全不需改变在第二区域的实验设施，只需要操控在第一区域移动的纠缠光子；此外关于第二区域的双狭缝，或其他介于发射晶体与探测屏间的实验仪器，在光子通过这双狭缝或实验仪器之前或之后，都可以进行操控。更具体地说，在这实验的第二区域里，假设双狭缝前面被装置了标记仪器，因此干涉现象被消毁（因为明确的路径信息存在），现在，在第一区域进行量子擦除动作，这动作的完成可以有效地擦除路径信息，从而重新展现干涉图样，完全不需改变第二个区域的实验设施。总结：在第一区域发生的量子擦除事件，能够超距地重新展现第二区域的干涉图样。

延迟选择量子擦除实验（delayed choice quantum eraser experiment）是本条目所描述实验的延伸版。它所使用的设备更为复杂与精致，能够演示出更多量子力学的奥秘。在这实验里，在第一区域测量或擦除路径信息的动作可以被延迟至在第二区域光子抵达探测屏之后。本条目所描述实验没有这种功能，只能选择探测器测量的先后次序。尽管如此，仍旧是很有意思的实验。直觉而言，光子的路径信息先被测得，因此干涉图样被消毁，然后又将路径信息擦除，这动作是否能够重新展现干涉图样？为了给出正确答案，这实验必须更仔细地分析论述，而整个实验展示出的物理现象，符合量子力学的预测。

实验步骤

实验分三个阶段。

第一阶段，使用非线性BBO晶体产生纠缠光子对。自光子对产生起，它们就具有不同偏振态，沿不同方向传播。沿下路径传播的光子会遇到双缝，使用灵敏的探测器可以扫出这些光子的干涉图样。

第二阶段，在下路径上插入四分之一波片。这样任何通过缝A的光子将会被改变为顺时针或逆时针的圆偏振，任何通过缝B的光子的则具有相反方向的圆偏振。当探测设备在先前的移动范围内重新扫过，可以发现探测结果不再相同 - 干涉条纹消失 - 即，任何标记了光子路径的行为都会破坏干涉条纹。

第三阶段，下路径不作变动，将一个起偏器插入到上路径，使得任何通过下路径的纠缠光子对的偏振方向也受到影响。因为上路径的光子的偏振方向发生变化，下路径光子的偏振状态也会改变。通过对上路径上起偏器选择合适的偏振角，令下路径上刚好有一半的光子具有相同的偏振方向。一旦它们有相同的偏振态，它们可以再次彼此干涉，或者从另一个角度来看，已经没有标记指明哪个通过缝A，哪个通过缝B。

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