量子擦除并不改寫過去——它改寫的只是觀察者

中國科學院半導體研究所&中國科學院大學 金緣德、馬穩龍. 編譯自Maria Violaris.

Physics World

本文選自《物理》2025年第9期

我常常想象，2125年

Physics World

如果真有幸讀到那本雜志，或許你還會有點失望：你只能讀到你的文本投影到的那篇文章。問題在于，你通過閱讀讓關于每個字母的信息都被復制進了你的記憶，進而這個“多文章的疊加態”發生了退相干。那么，有沒有辦法把別的文章也讀出來？畢竟，能看到更多的

Physics World

一個可能的設想是：也許你能通過抹去剛才的記憶來恢復文本的相干性。一旦不再保留那一篇被選中的文章信息，文本就沒有繼續保持單一退相干態的理由，于是你可以重新閱讀，得到另一篇文章。

盡管這個思想實驗聽起來頗具魔幻色彩，其概念卻與著名的雙縫實驗的變體存在著驚人的關聯，即被稱為具有延遲選擇的量子擦除實驗。該實驗常被宣稱展現出顛覆性的現象：當下進行的測量竟能改變過去發生的事件。但即便在以離奇著稱的量子領域，真有如此戲劇性的結論嗎？

雙縫實驗上的兩次轉折

在標準雙縫實驗中，光子一個接一個穿過兩條狹縫，在屏幕上形成干涉條紋，顯示出光的波動性。但若在狹縫處放一個能分辨光子具體穿越哪條縫的探測器，干涉就會消失，屏幕上出現兩個亮斑，呈現粒子性。關鍵在于：獲得路徑信息會改變光子的量子態——從波動式的干涉，變為粒子式的團簇。

這個思想實驗的第一次轉折源自惠勒在1978年的提議，以及之后他與Wojciech Zurek在1983年的合作：把路徑測量延遲到光子快到屏幕時再做。有趣的是，即便測量發生在光子通過狹縫之后，它仍然決定我們最終是否看到波動性或粒子性。也就是說，延遲的探測仍然決定該光子是否會與自己發生干涉。

如果這還不夠奇怪，那么延遲選擇的量子擦除作為這個思想的變體，成為了第二次轉折：如果記錄路徑時會導致退相干，那么擦除這些信息又會如何？設想把探測器考慮為一個與光子糾纏的量子比特：光走左縫對應量子比特為0，右縫為1。此時我們不在0/1基下讀出它(那會顯露路徑)，而是在互補基下測量，使0與1“隨機化”，從而抹去路徑信息。

有意思的是，盡管屏幕上的總體圖像仍呈現出類似粒子的亮斑，但只要對其做互補基測量，我們就能抽取出波動性的干涉圖樣。其機理是一個分類與篩選的過程：互補測量有兩種可能的結果，我們用這兩個結果將屏幕上的探測事件分為兩組；把兩組分別作圖，每一組都各自出現明暗相間的條紋，這就像戴上紅藍兩色鏡片的3D眼鏡，各自顯出一幅獨立的條紋圖像；而摘下眼鏡(把兩幅相加)則完全看不出干涉。

量子擦除實驗。用單個鏡片(分別用兩個基)來觀測，各自顯出一幅獨立的條紋圖像；而摘下眼鏡(或是戴上兩個鏡片，將兩幅相加)則完全看不出干涉

是改寫過去，還是改寫敘事？

擦除信息似乎讓我們把已成“粒子”的光子又“修復”為“波”。這聽上去確實離譜。不過，英國紐卡斯爾大學的量子物理學家Jonte Hance強調：關鍵不是“逆因果”，而是兩幅條件篩選得到的干涉圖如何相加，才會恢復為那張熟悉的退相干圖。“它們看起來彼此不能拼在一起，” Hance解釋說，“但實驗恰恰在表明，通過糾纏得到的那些關聯，必須能與一切你可能采取的測量方式相容。” 因此，這些結果揭示的，是量子理論的一個耐人尋味的方面——量子關聯的豐富而反直覺的結構是源于糾纏，而不是過去的影響。

葡萄牙伊比利亞國際納米實驗室的 Lorenzo Catani 指出，提出延遲選擇的惠勒本人，并不支持“逆因果”的解讀。在這段思想實驗的歷史敘述中，惠勒給出的結論更像是“我們必須放棄某種類型的實在論”——也就是過去可以獨立于當下記錄而存在的觀念。據我所知，只有少數研究者把該實驗解讀為支持“逆因果”的證據。

量子擦除 vs 貝爾：離奇與更離奇

因“逆因果”爭議而困惑的，還有奧地利因斯布魯克大學的Johannes Fankhauser。他意識到，量子擦除的裝置可以轉化為一個非常標準的貝爾實驗。這些實驗基于兩比特糾纏，旨在排除局域隱變量模型。由此他看到，根本不需要用“時間倒流的影響”來解釋量子擦除，因為與之相關的貝爾實驗并不需要這種解釋。接著，他又用德布羅意—玻姆的量子理論詮釋來分析量子擦除：在這種把波函數視為物理實在的圖景下(粒子受“領航”波引導)，量子擦除的實驗結果可以完全在不考慮時間倒流影響的前提下解釋。

這是否意味著量子擦除實驗除了貝爾實驗已告訴我們的信息之外，別無新意？也不盡然。Fankhauser認為，量子擦除擰動的是另一組旋鈕。它追問的是：“測量意味著什么？”，“何時我們才可以說系統具有某種屬性？”這些仍是開放的問題。

另一方面，Catani 在2023年的研究中給出了一個有啟發性的對比：他提出了一個經典物理的模型，但加了一個附加條件——對底層物理態的可知性施加限制。結果顯示，在這種經典框架里，量子擦除的統計結果可以被復現；但貝爾實驗的統計違背卻無法被復現。由此可見，僅僅對物理態的知識不完備不足以解釋貝爾現象，貝爾所呈現的“非經典性”更強；相形之下，量子擦除中的逆因果敘事更多依賴于一種特定的敘事方式，這也就更容易滋生悖論的觀感。

路徑信息如何消除？傳統考慮的探測器在0/1基(

z

把量子擦除當作一個腦筋急轉彎

多數物理學家同意：量子擦除在數學上與標準量子論框架完美契合。但Hance也提醒，形式化推導不是全部：“我們需要深入剖析這一現象，不僅要審視數學假設，更要建立直觀認知，從而真正探索量子特性的本質。”Hance持續分析該思想實驗中不同假設的物理影響，其2021年與量子擦除悖論合作者發表的預印本中探討了若干可能性。就此而言，量子擦除為理解量子關聯如何以經典物理學無法描述的方式相互匹配提供了工具。“這是一種絕佳的思維輔助工具——既是腦筋急轉彎，又是對這種怪異現象本質的演示。”

信息、觀察者與量子計算機

不同研究者從量子擦除里讀到的內容各不相同：有人借助它聚焦被測系統屬性的開放難題；有人從中吸取數學表述要嚴密的歷史教訓；也有人樂于把它當作一個必須被疏通的反直覺謎題。對少數偏離主流路徑的人來說，它甚至依然帶著某種過去被未來影響的味道。

就我個人而言，量子擦除的最大啟示在于它清楚地說明：在雙縫實驗里，哪怕僅僅一次兩比特糾纏，都足以造成退相干，無論日后你是否去讀出那個量子比特。換句話說，不需要某個神秘的宏觀觀察者來觸發坍縮。這也解釋了為什么建造量子計算機如此困難：哪怕與一個粒子發生了不受控的微弱糾纏，整個計算都可能坍縮成隨機態而失敗。

回到我們“200周年特刊”讀者的未來寓言：僅靠抹除記憶，并不足以恢復文章的量子行為，即選出的那一篇不可能被“改寫”。不過，按照量子擦除的協議，這些未來讀者至少還能做一件勝過調皮編輯的事：他們可以對記憶做一組互補測量，并據此把文章分類篩選成兩篇更小的“個體文章”，各自展示出原本隱藏的量子糾纏結構。即便不能用量子擦除去“改寫過去”，或許它能改寫你將要讀到的未來。

《物理》50年精選文章