量子擦除實驗

概述

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

本实验共分为三个阶段。

第一阶段

应用自发参量下转换机制，照射光子束于偏硼酸钡晶体（beta-barium borate crystal，一种非线性晶体），可以制成很多纠缠光子对，每个纠缠光子对的两个光子各自具有的能量为先前的一半，它们的偏振彼此相互垂直。假若一个是横偏振，则另一个是竖偏振；假若一个是竖偏振，则另一个是横偏振。它们会分别沿着不同路径移动于相隔一段距离的两个区域。在第一个区域，光子Fₚ会直接被探测器Dₚ吸收。在第二个区域，光子Fₛ会通过双狭缝，抵达第二个探测器Dₛ。假若将偏硼酸钡晶体的入射光子束光强降低到足够暗淡，则可确保光子是以一个一个的方式通过双狭缝。为了只检试纠缠光子对，将两个探测器Dₚ、Dₛ跟符合电路（coincidence circuit）连结在一起。用步进马达来移动探测器Dₛ，按照指令扫描标靶，所收集到的数据可以制成杨式双缝实验的标准干涉图样，或描述这干涉图样的符合计数曲线图。

第二阶段

在第二个区域的不透明板的两条狭缝前面，分别置入光轴方向相互垂直的四分之一波片（quarter-waveplate），分别标记为QWP1、QWP2，这两种四分之一波片将光子原本的平面偏振分别改为左旋圆偏振、右旋圆偏振，因此可以将光子贴上左旋圆偏振或右旋圆偏振标签。由于光子Fₚ与光子Fₛ纠缠在一起，从光子Fₚ的偏振信息、光子Fₛ的标签，可以推断出光子Fₛ的路径信息。由于左旋圆偏振态与右旋圆偏振态相互垂直，先前显示出的干涉图样会因此销毁殆尽，这可以从符合计数曲线图观察到。

第三阶段

对于第二个区域的装置不作任何变动，在第一个区域，将一个线性起偏器置入光子Fₚ的移动路径，使得光子Fₚ具有对角偏振（横偏振与竖偏振的偏振方向所形成的夹角，其角平分线方向是这种对角偏振的偏振方向，与横偏振呈+45°），连带地因量子纠缠将位于第二个区域的光子Fₛ的偏振改变为另外一种对角偏振（与横偏振呈-45°），并且两种对角偏振的偏振轴相互垂直。因此，先前两个四分之一波片的作用也会有所改变，它们各自会制成概率幅比例不同的左旋圆偏振态与右旋圆偏振态叠加在一起的量子态。这样，探测器Dₛ不再能从偏振态决定光子到底通过哪条狭缝，干涉图样又会再被恢复。
至此为止，这实验设定光子Fₚ先抵达探测器Dₚ，然后光子Fₛ再抵达探测器Dₛ。这实验也可以先让光子Fₛ抵达探测器Dₛ，然后让光子Fₚ通过±45°起偏器，使得光子Fₚ的偏振在对角化之后，才抵达探测器Dₚ。这是一种局限的延迟选择量子擦除实验，实验者不能选择搜集路径信息还是擦除路径信息，只能选择探测器测量的先后次序。尽管设计如此，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，然后又将这信息擦除，这动作是否能够重现干涉图样？
仔细分析此案例。假设光子Fₛ先抵达探测器Dₛ，则探测器Dₛ可以测得光子Fₛ的偏振是左旋圆偏振还是右旋圆偏振，但这并不足以推断光子Fₛ的路径信息，还必须知道光子Fₚ的偏振到底是横偏振还是竖偏振，可是，通过±45°起偏器后，光子Fₚ的偏振变为横偏振与竖偏振的对称组合或反对称组合。所以，对于这案例，并不存在任何有关光子Fₛ的路径信息，也没有任何信息需要被擦除。将探测器Dₛ、Dₚ的数据通过符合电路匹配后，会得到类似先前的干涉图样。在这案例里，实验得到的结果符合量子力学预测，不论先后次序为何，结果都一样。