啟科Q課堂：量子柴郡貓的微笑 _健康小知識

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上期的啟科Q課堂，
給大家介紹了超越生死的“薛定諤的貓” ，
【啟科Q課堂：量子柴郡貓的微笑】其實在量子世界里，還有一只神秘喵——
它的名字叫做量子柴郡貓。

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看過《愛麗絲夢游仙境》的都知道，里面有一只會咧嘴笑的柴郡貓，它的身體憑空消失后，笑容還掛在半空中。很多人認為柴郡貓只存在于童話故事中，其實在量子世界里， “柴郡貓”是真實存在的。

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在宏觀的經典世界中，物體的物理屬性比如質量、體積等，與物體本身不可分離，但在微觀的量子世界里則有所不同，如果把笑容認為是柴郡貓的一個屬性，那么只留下笑容而身體消失，意味著柴郡貓的位置與它的屬性分離，而物理學家發現這種位置與屬性分離的柴郡貓還真的存在。
貓——實際上是一個粒子
微笑——粒子的某些屬性
2013年有理論研究認為，微觀粒子的物理屬性(如電子的電荷和自旋、光子的偏振等)可以和其本體分離，這種現象被沃爾夫獎獲得者亞基爾·阿哈羅諾夫(YakirAharonov)等人稱之為“量子柴郡貓”(quantumCheshirecat) 。在2014年時，物理學家通過實驗，發現微觀粒子的一些物理屬性可以從它自身中剝離出來。實驗中，物理學家在某一點發現了光子的存在，卻在另一點檢測到了該光子的偏振。
整個系統由一個干涉儀構成，其中光子在經過分束鏡后，可以選擇上下兩個路徑。 “我們可以通過對光子實施兩組所謂的弱測量來揭示光子本體和其屬性的分離，其中一組用于測量光子本體所處的位置，另一組則用于測量其自旋狀態，也就是柴郡貓的笑臉的位置，測量結果則由弱值描述。 ”

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亞基爾·阿哈羅諾夫等人發現，通過精巧設置合適的前后選擇態，就可以將柴郡貓（光子）與其笑臉（光子的自旋（偏振））分離。具體來說，在干涉儀的上路徑中，對路徑及條件自旋觀測量實施的弱測量給出相應的弱值分別為0和1 ，也就是說，有一個沒有貓的笑臉出現在該路徑中。相應的，在下路徑中實施的弱測量得到的弱值分別為1和0 ，也就是說，下路徑中出現了一只沒有笑臉的貓。簡而言之，在干涉儀中“量子柴郡貓”和它的笑臉被分開了。
當你還迷惑于貓與笑臉分離的時候，我國科學家在去年首次利用雙光子系統實現了兩只“量子柴郡貓”交換笑臉。他們使用對系統施加微擾的新方法，解決了多體量子系統弱值提取的難題，并制備出雙光子超糾纏態，獲得光子的路徑和偏振觀測量的弱值。實驗觀測到兩光子都處于偏振屬性和光子本體分離的狀態，并各自得到了另一光子的偏振，實現了兩只“量子柴郡貓”的無接觸笑臉互換。
關于弱測量弱測量的概念最早由Aharonov,Albert和Vaidman在1988年提出，他們指出在有先后選擇的情況下測量結果可以被明顯地放大。弱測量名字的來源于這個理論中所考慮的測量系統和測量儀器之間的耦合強度比較弱。量子弱測量過程可以分為三個步驟：前選擇，進行系統初始態制備；弱耦合，引入探針和系統的弱相互作用；后選擇，進行末態的選擇。通過弱測量可以得到系統物理量的弱值，被廣泛應用于超靈敏的物體偏轉、時間延遲、溫度變化、速度測量、非線性效應等微小物理量的測量。