使用量子光學探測量子與經典邊界：桌面實驗

Core Concepts

本文提出了一個使用量子光學系統的實驗，旨在量化導致量子態坍縮的條件，特別是通過測量光子與不同「探測器」（冷原子氣體、感光板和光電倍增管）的交互作用，觀察其對糾纏光子對干涉圖樣的影響，從而探討量子態從量子到經典轉變的臨界點。

Abstract

量子退相干的探索：桌面實驗提案

引言

• 量子力學發展至今已有一個多世紀，但量子退相干，特別是在測量過程中如何發生，仍然是一個未解之謎。
• 一些物理學家認為環境選擇導致了經典力學的出現，但量子非破壞性測量（QND）的發現挑戰了這一觀點。
• 作者認為環境選擇不足以完全解釋量子系統中經典行為的出現，並提出量子退相干可能是量子引力理論的關鍵。

量化量子與經典轉變的重要性

• 文章以光子束穿過雙縫或分束器的思想實驗為例，探討了測量如何影響量子態。
• 指出即使進行了測量，在屏幕上仍然應該存在雙縫干涉圖樣，但實際上並非如此。
• 認為量子力學可能不是對自然界完整且自洽的描述，並提出需要量化導致波函數坍縮的條件。

實驗設計

• 該實驗受到延遲選擇量子擦除實驗的啟發，使用量子光學系統來探測量子與經典邊界。
• 實驗裝置包括光子源、雙縫、自發參數下轉換（SPDC）晶體、透鏡和探測器。
• 通過觀察未測量組件中的雙縫衍射圖樣，可以確定系統經歷量子到經典轉變的條件。

不同的「探測器」

• 實驗使用三種不同的「探測器」來研究退相干效應：冷原子氣體、感光板和光電倍增管（PMT）。
• 冷原子氣體被認為最不可能導致量子態坍縮，而感光板和PMT則可能導致坍縮。
• PMT 的特殊設計允許通過改變級數來量化導致量子態坍縮所需的電子數量。

D0 處的繞射圖樣

• 文章討論了在探測器 D0 處觀察到的繞射圖樣，並證明了量子態完好無損時與坍縮時存在可觀察到的差異。
• 當 D1 導致量子態坍縮時，D0 處的干涉圖樣將根據 D1 或 D0 首先檢測到光子的情況而有所不同。
• 當 D1 不會導致量子態坍縮時，D0 處的干涉圖樣將顯示雙縫干涉。

結論

• 本文提出了一種量化導致量子態坍縮條件的方法，並詳細介紹了實驗設計和預期結果。
• 作者認為，該實驗對於理解量子力學的基礎至關重要，並希望該實驗能在不久的將來得以實施。

Stats

光電倍增管的總放大倍數取決於倍增管的級數，或PMT的級數，以及每級的放大倍數。
如果每級的放大倍數為G，總共有5級，則PMT的總增益為：Gtot = G^5。

Quotes

“這些理論將退相干納入引力交互作用，被稱為引力退相干 [4]。”
“在量子力學的相容歷史詮釋中 [6]，同樣的問題更加明顯。”
“在量子力學描述中，任何與閒置光子的局部交互作用都不會影響信號光子。”

Key Insights Distilled From

Probing the Quantum and Classical Boundary: A Tabletop Experiment Using Quantum Optics

by Muchen He, J... at arxiv.org 11-18-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.10347.pdf

Deeper Inquiries

如果將實驗環境從真空和低溫條件轉變為常溫常壓，實驗結果會如何變化？

將實驗環境從真空和低溫條件轉變為常溫常壓，將會引入大量的環境噪音，主要影響如下：

熱噪音： 常溫下，原子和分子的熱運動會產生電磁場，這些電磁場會與光子相互作用，導致光子狀態的随机變化，也就是退相干。這會使得干涉圖樣變得模糊，甚至完全消失，使得我們難以判斷 D0 處的量子態是否坍縮。
氣體分子碰撞： 常壓環境中，空氣分子會與光子發生碰撞，導致光子散射或吸收，進一步增加噪音，影響干涉圖樣。
振動： 常溫常壓下，實驗設備更容易受到振動影響，導致光程變化，進而影響干涉圖樣。

因此，在常溫常壓下進行實驗，需要採取額外的措施來抑制環境噪音，例如：

使用隔離裝置來減少振動。
使用濾光片來減少背景光。
使用更短的光程來減少光子與環境相互作用的機率。
即使採取了這些措施，常溫常壓下的實驗結果仍然可能不如真空和低溫條件下的結果準確。

量子態的坍縮是否真的意味著波函數的瞬間改變，還是存在一個更為平滑的過渡過程？

量子態的坍縮是量子力學中一個充滿爭議的話題，目前還沒有明確的答案。

瞬間坍縮詮釋： 一些物理學家認為，量子態的坍縮是一個瞬間發生的過程，波函數在測量瞬間發生突變。這種詮釋符合我們對測量結果的直觀理解，但缺乏嚴格的理論依據。
退相干理論： 另一些物理學家則認為，量子態的坍縮並非瞬間發生，而是一個與環境相互作用導致的退相干過程。在這個過程中，系統與環境的糾纏導致波函數逐渐失去相干性，最终表現出經典的行為。這種詮釋能夠解释一些實驗現象，但仍然無法完全解決量子測量問題。
目前，物理學界對於量子態坍縮的具體機制尚未達成共識，需要更多的實驗和理論研究來揭示其本质。

如果我們可以精確控制量子態的坍縮，是否就能夠利用這種特性來構建全新的量子計算和信息處理技術？

如果我們能夠精確控制量子態的坍縮，將為量子計算和信息處理技術帶來革命性的進步：

量子計算： 目前，量子計算機面临的最大挑战之一是退相干，它会导致量子信息丢失，影响计算结果的准确性。如果能够控制量子態的坍縮，就可以在需要的时候保持量子态的相干性，从而提高量子計算的效率和可靠性。
量子通信： 量子通信利用量子態的疊加和糾纏特性來傳輸信息，其安全性基於量子力學的基本原理。如果能够控制量子態的坍縮，就可以更精確地操控量子信息，提高量子通信的效率和安全性。
量子測量： 精確控制量子態的坍縮可以讓我們更深入地理解量子測量的本质，開發出更高精度的量子測量技術，應用於基礎物理研究和精密測量領域。

然而，目前我們對量子態坍縮的理解還不夠深入，還無法做到精確控制。這需要我們在量子力學基礎理論和實驗技術方面取得更大的突破。