景雨薇

(湖南師范大學(xué)附屬中學(xué) 410006)

2015年，著名的臉書公司(facebook)創(chuàng)始人馬克-扎克伯格和夫人手拿一本《給嬰兒們讀的量子物理學(xué)》，給剛出生不久的嬰兒讀得津津有味：原子、光子、量子躍遷、量子糾纏……我們每時每刻都生活在量子世界(盡管我們很少覺察到這一點)，以量子物理和半導(dǎo)體技術(shù)為基礎(chǔ)的電子計算機和互聯(lián)網(wǎng)通信是我們這個時代的標志之一.

量子世界到底有什么不同于經(jīng)典世界的神奇之處？兩個如何過渡或共存？

這個問題，偉大的阿爾伯特-愛因斯坦跟尼爾斯-玻爾為此一輩子爭吵不休，現(xiàn)在的物理學(xué)家天天忙著研究這個問題.這些研究不斷的帶給我們驚奇，比如最近發(fā)現(xiàn)候鳥飛行器官和綠葉光合作用原來都有神秘的量子效應(yīng)發(fā)揮著意想不到的作用，比如發(fā)現(xiàn)一個光子可以同時走兩條不同路徑(薛定諤貓態(tài)，可以用于制造量子計算機，瞬間攻破銀行或軍用密碼)……這里，我們介紹一個簡單的例子：光子加減法，看看量子世界的加減法跟我們熟悉的加減法有什么不同.

一、加光子與減光子

如圖1光子加法器.左側(cè)兩條紅色實線表示加法前的光子，右側(cè)兩條紅色實線表示加法后的光子，并利用探測器實現(xiàn)單光子探測(Single-photondetection).硼酸鋇(BBO)晶體用來將一個能量較高的藍色光子轉(zhuǎn)化成一對能量較弱的紅色光子，這樣就能對左側(cè)紅色光子實現(xiàn)加一個光子的操作.

圖2為光子減法器.入射(in)光子進入分束器(BS)后，要么從右邊透射出去，要么從下邊反射出去.如果反射處探測到一個光子，那么透射處就減少(sub)一個光子.顯示的是一個叫做分束器(BS)的普通光學(xué)元件：當(dāng)一個光子從左邊進來，它或從右邊透射出來，或從下邊反射出去，光子從兩個出口跑出的機會一樣(50:50分束器).當(dāng)一個光子進入BS,如果下出口探測到光子,右出口就無法探測到這個光子.所以如果反射口處聽到一聲嘀嗒(探測到一個光子)，那么我們就知道，透射口一定少了一個光子！看，就像BBO可以稱為光的加法器，BS可以稱為光的減法器.

二、先加后減≠先減后加

假如：一束光，先加一個光子再減去它，或者先減去一個光子再加上它，結(jié)果一樣么？如果不一樣，怎樣做加減法，才能還原我們的入射光？

第一個想到這個問題的還是前面提到的意大利人.他們把加法器BBO和減法器BS結(jié)合起來，只是順序不同，即先讓光通過BBO再進入BS，或者先通過BS再進BBO，這就等于對光先加后減，或先減后加.結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種情況完全不同，而且都跟原來的光非常不一樣！可以得到實驗結(jié)果：先加后減≠先減后加，先加后減≠不變，先減后加≠不變.更神奇的是：(先加后減)-(先減后加)=不變.

三、總結(jié)與奇思妙想

用光子做加減法，我們能看到量子幽靈的神秘特點，那就是：順序非常重要，加減的特定組合等于不變！對于光子，這個特定組合就是：(先加后減)-(先減后加)=不變！

當(dāng)然，我們還能接著追問下去：

連續(xù)加2次，再連續(xù)減2次，跟僅僅加一次再減去一次，結(jié)果一樣么？

一點都不奇怪，結(jié)果完全不同，這可以用所謂量子對易法則輕易證明.不過，實驗如何驗證這一點？這是一個有趣的新設(shè)想，因為這個連續(xù)的加減法，至今還沒人做過實驗驗證！跟意大利人的實驗一樣，這個實驗只需一個鈦寶石激光器(光源)，BBO晶體(加光子)，分束器(減光子)就可以.看起來只是人家實驗的簡單推廣，但是也很有意義，因為更多的量子效應(yīng)不是看單純數(shù)目多少，而是看所謂的量子漲落效應(yīng)(平均數(shù)即便一樣，漲落也會很不一樣，漲落的定義涉及數(shù)的平方，包含連續(xù)兩次相加或相減).此外，還可以設(shè)想出很多有趣的研究，比如，是否可以讓兩束量子糾纏的光源進行加減法？是否可以讓同一束光同時做加法減法，就像薛定諤貓同時可以處于生和死的兩種狀態(tài)？這樣的話，是否可以獲得新奇光源，獲得意想不到的實用價值？……神奇的量子世界讓人浮想聯(lián)翩.

最好，提醒讀者一個相關(guān)的問題，即是否還有一種完全不同的量子精靈，能讓：(先加后減)+(先減后加)=不變？答案也是yes！為此，我們不能再用光子，要用一種完全不同于光的量子幽靈：電子.我們的世界就是由類似光子和類似電子這兩種不同性質(zhì)的量子幽靈共同組成的世界(三維世界里只有這兩種).科學(xué)探索果然沒有極限啊(嗯，或許人的大腦里面也住著量子精靈？)……