摘要：在这个双量子版本中，本文中的字母使用量子比特存储。当你阅读时，你将字母投影到一个固定状态，这些信息会作为你正在阅读的文章复制到你的脑海中。这篇文章实际上是许多不同文章的叠加，但只有一篇被复制到你的记忆中。我们希望你喜欢你正在阅读的那篇。

我们国际量子科学与技延迟选择量子橡皮擦术年报道的一部分

在这个双量子版本中，本文中的字母使用量子比特存储。当你阅读时，你将字母投影到一个固定状态，这些信息会作为你正在阅读的文章复制到你的脑海中。这篇文章实际上是许多不同文章的叠加，但只有一篇被复制到你的记忆中。我们希望你喜欢你正在阅读的那篇。

这就是我对 2125 Physics World 量子特刊的开篇的想象，那时功能齐全的量子计算机司空见惯，我们甚至已经想出了如何控制显示屏上的单个量子比特。如果你有幸体验过阅读这样的杂志，你可能会感到失望，因为你只能阅读文本投射到的一篇文章。问题在于，通过阅读文章的叠加，你使它们去连贯，因为你将每个字母的信息复制到你的内存中。你能想出一种方法来阅读其他的吗？毕竟，Physics World 文章越多越好。

一个可能的解决方案是，如果您可以通过擦除您阅读的特定文章的记忆来恢复文本的连贯性。一旦您不再有信息识别您的杂志被投影到哪篇文章中，那么就没有根本理由让它保持解聚成单一状态。然后，您可以重读它以享受不同的文章。

虽然这个思想实验听起来很荒诞，但这个概念与著名的双缝实验（称为延迟选择量子橡皮擦）的令人费解的转折密切相关。人们通常声称它表现出一种激进的现象：在当前进行的测量会改变过去发生的事件。但是，即使在臭名昭著的奇怪量子领域，这种自相矛盾的建议是真实的吗？

在标准的双缝实验中，光子一个接一个地穿过两个狭缝，在屏幕上形成干涉图案，说明光的波状行为。但是，如果我们添加一个检测器，可以发现光子穿过两个狭缝中的哪一个，干涉就会消失，我们在屏幕上只能看到两个不同的团块，这表示类似粒子的行为。至关重要的是，获取有关光子所走路径的信息会改变光子的量子态，从波状干涉图案变为粒子状团块。

这个思想实验的第一个转折归功于物理学家约翰·惠勒 （John Wheeler） 在 1978 年提出的建议，以及后来在 1983 年与 Wojciech Zurek 的合作。惠勒的想法是延迟测量光子通过哪个狭缝。测量可以延迟到光子撞击屏幕之前，而不是在光子通过双狭缝时测量光子。有趣的是，延迟检测光子穿过哪个狭缝仍然决定了它是否显示波状或粒子状行为。换句话说，即使是在光子穿过狭缝很久之后进行的检测，也会决定该光子是否被测量为干扰了自身。

如果这还不够奇怪，延迟选择量子橡皮擦就是这个想法的进一步修改。它最早由美国物理学家 Marlan Scully 和 Kai Drühl 于 1982 年提出 （Phys. Rev. A25 2208），后来由 Yoon-Ho Kim 和合作者在 2000 年使用光子进行实验实现 （Phys. Rev. Lett.84 1）。这种变化增加了第二个转折：如果记录光子通过的狭缝会导致它退相，那么如果我们要擦除该信息会发生什么？想象一下，将探测器缩小到与光子纠缠在一起的单个量子比特：“左”狭缝可能与量子比特为 0 相关，“右”狭缝与 1 相关。我们不是测量量子比特是 0 还是 1（显示路径），而是以互补方式测量量子比特，随机化 0 和 1（擦除路径信息）。

（图片由 Mayank Shreshtha 提供）

这张图以 3D 眼镜为例，描绘了量子橡皮擦如何在双缝实验中恢复光子的波状行为。

左上角的框显示了标准双缝实验的设置。由于狭缝处没有检测器来测量光子所走的路径，因此屏幕上会出现干涉图案。在框 1 中，每个狭缝都有检测器，测量光子可能通过的狭缝，干扰图案被破坏。框 2 和 3 显示，通过擦除“哪个狭缝”信息，可以恢复干涉图案。这是通过使用橡皮擦分离光子来完成的，这里用 3D 眼镜的红色滤光片和蓝色滤光片表示。最后的框 4 显示橡皮擦的整体图案没有干扰，与框 1 中看到的图案相同。

在方框 2、3 和 4 中，检测器量子比特测量“哪个狭缝”信息，状态为 |0> 表示左，状态为 |1> 表示右。这些是“Bloch 球”的 z 轴上的点，是量子比特的抽象表示。然后，橡皮擦沿 Bloch 球的 x 轴以互补方式测量检测器量子比特。这会破坏“哪个狭缝信息”，但会显示用于筛选结果的红色和蓝色镜片信息，如 3D 眼镜的图像所示。

引人注目的是，虽然屏幕总体上仍然显示粒子状团块，但单量子比特探测器的这些互补测量实际上可用于提取波状干涉图案。这是通过排序过程实现的：互补测量的两种可能结果用于分离出屏幕上的光子检测。然后，分离的图案分别显示亮条纹和暗条纹。

我喜欢用一副 3D 眼镜来可视化这一点，一副蓝色镜片和一个红色镜片。每个彩色镜头都显示不同的单独图像，就像两个独立的干涉图案一样。如果没有 3D 眼镜，您只能看到图像的总体总和。在量子橡皮擦实验中，这个图像之和是一个完全退相干的图案，没有干涉痕迹。访问探测器的互补测量就像访问 3D 眼镜一样：您现在获得了一个额外的工具来过滤掉两个单独的干涉图案。

如果擦除探测器上的信息可以让我们提取波状图案，那么我们似乎已经将波状行为恢复到已经像粒子一样的光子。这似乎真的很令人头疼。然而，英国纽卡斯尔大学的量子物理学家 Jonte Hance 强调了一个不同的结论，该结论侧重于单个干涉图案如何加起来显示通常的退相干图案。“他们都觉得自己不应该能够融合在一起，”Hance 解释说。“这确实表明，你通过纠缠得到的相关性必须能够拟合你可以测量系统的所有可能方式。”因此，结果揭示了量子理论的一个有趣方面——来自纠缠的量子相关性的丰富、违反直觉的结构——而不是过去的影响。

就连惠勒本人也不相信这个思想实验意味着时间倒退的影响，正如葡萄牙国际伊比利亚纳米技术实验室 （INL） 的研究员洛伦佐·卡塔尼 （Lorenzo Catani） 所解释的那样。在评论思想实验的历史时，卡塔尼指出，“惠勒得出结论，人们必须放弃某种类型的现实主义——即认为过去独立于现在的记录而存在的想法。据我所知，只有少数研究人员将这个实验解释为逆因果关系的证据。

奥地利因斯布鲁克大学的 Johannes Fankhauser 是一位试图解开这个问题的物理学家。“我听说过量子橡皮擦，由于所有这些关于时间倒退影响的奇怪说法，它让我非常困惑，”他解释说。“我看到一些听起来有悖常理、令人费解和奇怪的东西，然后我想理解它，通过理解它，它会变得有点神秘。”

Fankhauser 意识到量子橡皮擦设置可以转化为非常标准的贝尔实验。这些实验基于纠缠一对量子比特，其想法是排除量子理论的局部“隐藏变量”模型。这使他看到没有必要使用逆向时间影响来解释橡皮擦，因为正如他在 2017 年的论文 （Quanta8 44） 中所解释的那样，无需它也可以理解相关的贝尔实验。然后，Fankhauser 使用量子理论的 de Broglie-Bohm 解释进一步分析了思想实验，该解释为量子波函数提供了物理模型（因为粒子由“引航”波引导）。利用这一点，他明确表明橡皮擦实验的结果可以完全解释，而不需要时间倒退的影响。

那么，这是否意味着橡皮擦除了贝尔实验已经告诉我们的内容之外，没有告诉我们任何其他信息呢？差一点。“它转动的旋钮与贝尔实验不同，”Fankhauser 解释说。“我想说它提出了一个问题'测量意味着什么？'，以及'我什么时候可以谈论系统有属性？'这是一个有趣的问题，我想说我们对此没有完整的答案。

特别是，橡皮擦证明了观察行为本身对结果的重要性，检测器扮演着观察者的角色。“你测量它的一些特性，你改变另一个特性，”Fankhauser 说。“所以下次你测量它时，新的属性是通过观察创建的。我现在正试图更具体地将其正式化。我正在尝试提出一种新的方法和框架来研究这些问题。

与此同时，卡塔尼在他的研究中发现了贝尔实验和橡皮擦之间的有趣对比。“贝尔定理的含义要深远得多，”卡塔尼说。在他合著的 2023 年论文 （Quantum7 1119） 中，Catani 考虑了一个经典物理学模型，但有一个额外的条件：你可以了解的基本物理状态是有限制的。将这个模型应用于量子橡皮擦，他发现它的结果可以用这样的经典理论来复制。相比之下，经典模型无法重现 Bell 实验的统计违规。这表明，对物理状态的不完全了解本身并不足以解释贝尔实验的奇怪结果。因此，它展示了比橡皮擦更强大的经典物理学偏差。卡塔尼还对比了这两种情况的数学严谨性。虽然贝尔实验是基于明确制定的假设，但关于量子橡皮擦中时间倒退影响的说法依赖于特定的叙述——一种引起明显悖论的叙述

因此，物理学家普遍认为，量子橡皮擦思想实验的数学原理非常符合标准量子理论。即便如此，Hance 认为，仅靠形式结果并不是故事的全部：“这是我们需要区分的东西，不仅在数学假设方面，而且在建立直觉方面，以便我们能够真正玩弄量子是什么。Hance 一直在分析思想实验中不同假设的物理影响，并在他 2021 年的预印本 （arXiv：2111.09347） 中与合作者讨论了量子橡皮擦悖论的一些选项。

因此，它提供了一种工具，用于理解量子相关性如何以经典物理学无法描述的方式进行匹配。“这是一个很好的思考辅助工具——部分是脑筋急转弯，部分展示了这种怪异的本质。”

每个量子物理学家都从量子橡皮擦中汲取不同的东西，无论是聚焦围绕测量系统特性的开放问题;数学严谨性的历史教训;还是需要理解的违反直觉的谜题。对于偏离量子理论标准方法的少数人来说，这甚至可能是某种形式的时间倒退影响。

就我自己而言，正如我在 YouTube 上的视频和我在 2023 年关于量子思想实验的论文（IEEE 量子计算与工程国际会议 10.1109/QCE57702.2023.20325）中所解释的那样，量子橡皮擦最引人注目的含义是解释观察者在双缝实验中的作用。量子橡皮擦强调，即使是量子比特之间的单个纠缠也会导致退相干，无论事后是否进行测量，这意味着不需要神秘的宏观观察者。这也解释了为什么构建量子计算机如此具有挑战性，因为即使与一个粒子发生不必要的纠缠也可能导致整个计算崩溃为随机状态。

量子橡皮擦强调，即使是量子比特之间的单个纠缠也会导致退相干，无论事后是否进行测量，这意味着不需要神秘的宏观观察者

这对我们 200 年历史的双量子特刊《物理世界》的未来主义读者来说将何去何从？仅仅抹去他们的记忆并不足以恢复文章的量子行为。现在更改选择的文章为时已晚。不过，遵循橡皮擦类型的协议，我们的未来学家可以比那些鬼鬼祟祟的杂志作者做得更好：他们可以使用对记忆的互补测量结果，将文章分类为两篇单独的小文章，每篇文章都展示了他们自己的量子纠缠结构，而这些结构原本是隐藏的。因此，即使你不能使用量子橡皮擦来重写过去，也许它可以重写你在未来阅读的内容。

来源：人工智能学家