一項新的實驗暗示了量子超位的隱藏機制。
疊加——即微小物體可以同時存在於多個地方或狀態的概念——是量子物理學的基石，一項新的實驗試圖揭示這一神秘現象。
這是量子力學的核心問題，沒有人知道答案：在疊加態中到底發生了什麼——粒子似乎在兩個或多個地方或狀態同時出現的特殊情況？現在，在一篇即將發表的論文中，以色列和日本的一組研究人員提出了一項實驗，該實驗最終可以讓我們對這一令人困惑的現象的本質有一定的把握。
研究人員說，他們的實驗可以在幾個月內完成，這應該能讓科學家們偷偷地看一看物體——在這種情況下，一種被稱為光子的粒子——實際上是在疊加態時存在的。研究人員預測，答案將比“兩個地方”更奇怪、更令人震驚。
疊加態的經典例子是在兩個平行的狹縫中發射光子。量子力學的一個基本方面是，微小的粒子可以表現得像波一樣，所以那些經過一個狹縫的粒子會“干擾”那些穿過另一個的粒子，它們的波狀漣漪會促進或相互抵消，從而在探測器屏幕上創造出一種特徵模式。然而，奇怪的是，即使只有一個粒子一次被髮射，這種干擾也會發生。粒子似乎以某種方式同時穿過兩個狹縫，干擾了自身。這是一個疊加。
更奇怪的是：測量這樣一個粒子穿過的縫隙總是會顯示它只經過一個——但是波狀的干擾（如果你願意的話）就會消失。測量的行為似乎“瓦解”了疊加態。以色列高級研究院的物理學家Avshalom Elitzur說：“我們知道在疊加態中發生了一些可疑的事情。”“但它並不允你許測量它。”這就是量子力學如此邪惡的原因。”
幾十年來，研究人員在這一明顯的僵局中停滯不前。他們不能準確地說出疊加是什麼，而不去看它;但如果他們試著去看，它就消失了。一個潛在的解決方案——由Elitzur的前導師，以色列物理學家亞哈羅諾夫，現在在查普曼大學，和他的合作者——提出了一種方法，在測量量子粒子之前，可以推斷出一些關於量子粒子的方法。阿哈羅諾夫的方法被稱為量子力學的雙態向量形式主義（TSVF），並且假定量子事件在某種意義上是由量子狀態決定的，不僅在過去，而且在未來。也就是說，TSVF假設量子力學在時間上是向前和向後的。從這個角度看，原因似乎可以在時間上向後傳播，在它們的影響之後發生。
但人們不需要從字面上理解這個奇怪的概念。相反，在TSVF中，我們可以通過選擇結果來獲得對量子系統中發生的事情的回溯性知識：而不是簡單地測量一個粒子的最終結果，研究人員選擇一個特定的地點來尋找它。這被稱為“後選擇”，它提供的信息比任何無條件的信息都要多。這是因為在任何時刻，粒子的狀態都是根據它的整個歷史，包括測量的，來回顧的。奇怪的是，因為看起來研究人員——僅僅是通過選擇尋找一個特定的結果——然後導致結果的發生。但這有點像總結，如果你在你最喜歡的節目安排的時候打開電視，你的行動會導致那個節目在那個時刻播出。“人們普遍認為，TSVF在數學上等同於標準量子力學，”大衛華萊士說，他是南加利福尼亞大學的一名科學哲學家，專門研究量子力學的解釋。“但它確實會讓人看到一些原本不會看到的東西。”
舉個例子，2003年，Aharonov和同事Lev Vaidman設計了一個雙縫實驗，他們用TSVF解釋了這個實驗。這對搭檔描述了（但沒有建造）一個光學系統，在這個系統中，一個光子充當“快門”，通過導致另一個“探針”光子接近縫隙，從而反射回來的方式，從而關閉一個縫隙。Aharonov和Vaidman在對探針光子的測量中應用後選擇，可以看出一個快門光子在疊加的同時（或者任意多的）同時關閉。換句話說，這個思想實驗在理論上可以讓人自信地說，快門光子同時在“這裡”和“那裡”。儘管從我們的日常經驗來看，這種情況似乎有些矛盾，但它是量子粒子所謂的“非本地”特性的一個研究得很好的方面，在這個領域中，一個定義良好的空間位置的概念就會溶解。
2016年，京都大學的物理學家Ryo Okamoto和Shigeki Takeuchi證實了Aharonov和Vaidman的預測是通過一種光攜帶電路，在這種電路中，快門光子是用量子路由器創建的，這是一種讓一個光子控制另一個光子的路線的裝置。“這是一項開創性的實驗，讓人們可以推斷出粒子在兩個地方的同時位置，”Elitzur的同事，來自安大略省渥太華大學的埃利胡科恩說。
現在，Elitzur和科恩已經與岡本和Takeuchi合作，策劃了一個更加令人難以置信的實驗。他們相信，這將使研究人員能夠肯定地說，在任何實際測量結果之前，在一系列不同的時間點上，粒子的位置在疊加態上是有一定的意義的。
這一次，探測器光子的路線將被部分反射鏡分成三部分。在每條路徑上，它都可以與快門光子在疊加態中相互作用。這些相互作用可以被認為是在標記為A、B和C的盒子裡進行的，其中一個位於光子的三個可能的路徑上。通過觀察探針光子的自我干擾，我們可以肯定地得出結論，在特定的時間，快門粒子在一個給定的盒子裡。
這個實驗是這樣設計的，所以探測器光子只有在特定的位置和時間序列中與快門光子相互作用時才能顯示出干擾：即,如果快門光子是在這兩個盒子和C(t1)在一段時間,然後在稍後的時間(t2)只有在C語言中,還是在以後(t3)B和C,所以光子干涉調查將是一個明確的，快門光子做了這個奇怪的跡象,有違邏輯序列之間的脫節的表象箱在不同Elitzur乘以一個主意,科恩和阿哈羅諾夫提出的可能性為單個粒子分佈在去年三盒。聖荷西州立大學的物理學家肯沃頓說：“我喜歡這篇論文提出的問題，即整個歷史過程中發生的事情，而不是瞬間的狀態。”他沒有參與這個新項目。“談論“狀態”是一種古老的普遍偏見，而完整的歷史通常更豐富、更有趣。”
Elitzur和他的同事們認為，這種豐富性是TSVF所能接觸到的。粒子在一個地方的明顯消失——以及它們在其他時間和地點的重新出現——表明了一種新的、非同尋常的關於量子粒子非局部存在的潛在過程的視覺。通過TSVF的透鏡，Elitzur說，這種閃爍的、不斷變化的存在可以被理解為一系列的事件，在這個事件中，一個粒子在一個地方的存在被它自己的“反粒子”在同一地點“抵消”了。他將此與20世紀20年代英國物理學家保羅狄拉克提出的觀點進行了比較，他認為粒子具有反粒子，如果把粒子聚集在一起，粒子和反粒子就會相互湮滅。這張照片起初似乎只是一種說話方式，但很快就發現了反物質的發現。量子粒子的消失在這個意義上並不是“湮滅”，但它是類似的——這些假定的反粒子，Elitzur假設，應該具有負能量和負質量，允許它們抵消它們的對等物。
因此，儘管傳統的“兩個地方”對疊加的看法可能看起來很奇怪，“可能疊加是一組更瘋狂的狀態，”Elitzur說。“量子力學只告訴你它們的平均值。他建議，“後選擇”允許人們以更大的分辨率隔離和檢查其中的一些州。他說，對量子行為的這種解釋將會是“革命性的”——因為它將導致迄今為止尚未猜到的真實（但非常奇怪）的狀態，潛在的違反直覺的量子現象。
研究人員說，進行實際的實驗需要對量子路由器的性能進行微調，但他們希望在3到5個月內讓他們的系統能夠運行。目前，一些外部觀察人士並沒有屏息等待。沃頓說：“這個實驗肯定會起作用，但他補充說，這不會讓任何人相信任何事情，因為實驗結果是由標準量子力學預測的。”換句話說，沒有令人信服的理由來解釋這一結果，而不是研究人員解釋量子行為的許多其他方式。
Elitzur認為他們的實驗可以用傳統的量子力學的觀點來設想，這種觀點在幾十年前就已經存在了，但事實並非如此。“這難道不是一個很好的跡象，表明了TSVF實驗的合理性嗎？””他問道。如果有人認為他們可以用標準的量子力學來描述“真正發生了什麼”，他補充道，“好吧，讓他們繼續吧！”
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