13、量子柴郡猫的笑容交换实验解读

量子柴郡猫的笑容交换实验解读

1. 背景与意义

在量子世界中，量子物体从其他物体获取自身不具备的属性，这一现象违背直觉。从实验角度看，观察多个量子物体与其属性分离和交换的现象存在技术挑战，不过这也推动了新技术的发展。从应用角度而言，分离多个物体属性的能力有助于实现抗噪声通信，例如分离光子的波粒二象性后，可分别实现对相位噪声和强度噪声的鲁棒性。

2. 实验设计

• 概念模型 ：以两只量子柴郡猫为例，它们可从上方路径（u = up）或下方路径（d = down）进入单向通道。作为柴郡猫，它们倾向于将笑容与自身分离，并各自选择不同通道进入装置。离开装置时，它们的笑容会相互交换，这是因为使用弱值表示笑容分离区域后，每只柴郡猫笑容所在的路径会被重定向到另一只柴郡猫。
• 可观测量与前后选择态 ：
  • 用光子偏振和路径的复合系统 | · ⟩pol | · ⟩path 表示两只柴郡猫的状态。
  • 光子位置的可观测量为 (I_2 \otimes \Pi_{\mu}^{\nu})，其中 (\mu \in {u, d}) 且 (\nu \in {A, B})，表示光子 (\nu) 在路径 (\mu) 中。
  • 光子偏振的可观测量为 (\sigma_z \otimes \Pi_{\mu}^{\nu})，其中 (\mu \in {u, d}) 且 (\nu \in {A, B})，表示光子 (\nu) 的偏振 (\sigma_z) 在路径 (\mu) 中。
  • 物理基态与计算基态的对应关系为：(|