量子柴郡猫的两个基本特征：上下文性和相干性
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在爱丽丝梦游仙境里有一只柴郡猫，它会神奇地消失，只留下一只笑眯眯的嘴。这是一个很有趣的想象，但是在现实中，我们不会遇到这样的情况。一个物体的各个部分是不可能分离的，它们总是紧密地联系在一起，形成一个整体。
但是，当我们进入量子世界时，情况就不一样了。量子力学告诉我们，物质的本质是波粒二象性的，它既可以表现为粒子，也可以表现为波。而且，量子力学还告诉我们，物理量的测量结果是不确定的，它们只有在被观察时才会呈现出一个确定的值，而在观察之前，它们处于一种叠加的状态，即同时具有多种可能性。 这些奇怪的现象让我们不得不重新思考物理世界的本质。我们不能再把物体看作是由固定的属性组成的，而要把它们看作是由不同的概率分布组成的。这就意味着，物体的属性不是客观存在的，而是依赖于我们的观测方式的。这就是量子力学的一个重要特征，叫做上下文相关性。 上下文性是指量子系统的某些属性，比如自旋、动量或极化，不能被单独地确定，而是依赖于我们选择的测量上下文。换句话说，如果我们用不同的方式来测量同一个量子系统，我们可能会得到不一致的结果，甚至是相互矛盾的结果。这就好像我们在看一个魔术师的表演，他可以让同一个硬币同时出现正面和反面，或者让同一个兔子同时出现在两个不同的帽子里。这些结果看起来不合逻辑，但是在量子力学里，它们是可能的，只要我们选择合适的测量上下文。 那么，什么是测量上下文呢？测量上下文就是我们用来观测量子系统的仪器和方法。比如，我们可以用不同的磁场来测量电子的自旋，或者用不同的光源来测量光子的极化。不同的测量上下文会给量子系统施加不同的约束，从而影响它们的状态和属性。这就是为什么我们不能同时确定量子系统的所有属性，因为这样就相当于同时施加了所有的测量上下文，这是不可能的。这也是为什么我们不能用经典的逻辑来理解量子系统，因为经典的逻辑假设了系统的属性是客观的，而不是依赖于观测者的选择。 上下文性是量子力学的一个基本特征，它和量子力学的另一个基本特征——相干性，有密切的联系。相干性是指量子系统的状态可以是多个可能状态的叠加，而不是单一的确定状态。这就意味着，量子系统可以同时具有多个属性，而不是单一的属性。比如，一个电子可以同时具有向上和向下的自旋，或者一个光子可以同时具有水平和垂直的极化。这些叠加的状态叫做相干态，它们是量子力学的最一般的状态。相干态的特点是，它们可以通过干涉和幺正变换来操作，从而实现量子力学的各种奇妙的效果，比如量子纠缠、量子隐形传态和量子计算等。 相干性和上下文性是量子力学的两面，它们共同决定了量子系统的行为。相干性告诉我们，量子系统可以同时具有多个属性，而上下文性告诉我们，量子系统的属性取决于我们的测量方式。这就导致了一个有趣的现象，就是量子柴郡猫。
量子柴郡猫是一个由阿哈罗诺夫等人提出的思想实验，它是对爱丽丝梦游仙境中的柴郡猫的量子化。量子柴郡猫是一个会分离的量子系统，它的某些属性会出现在它所在的位置之外。比如，一个光子的极化会出现在它所在的路径之外，或者一个电子的自旋会出现在它所在的位置之外。这就好像一个猫的身体和笑容分开了，分别出现在不同的地方。这看起来很荒谬，但是在量子力学里，它是可能的，只要我们用合适的测量上下文来观测它。 那么，量子柴郡猫是怎么实现的呢？它的关键是利用了量子系统的相干性和上下文性。首先，我们要用一种特殊的方式来准备量子系统的状态，这种方式叫做预选和后选。预选就是在测量之前，用一个仪器来选择量子系统的初始状态，比如用一个偏振器来选择光子的初始极化。后选就是在测量之后，用另一个仪器来选择量子系统的最终状态，比如用另一个偏振器来选择光子的最终极化。这样，我们就可以得到一个预选和后选的量子系统，它的状态是由初始状态和最终状态共同决定的。 接下来，我们要用一种特殊的方式来测量量子系统的属性，这种方式叫做弱测量。弱测量就是用一个很微弱的作用来探测量子系统的属性，比如用一个很弱的磁场来探测电子的自旋，或者用一个很小的位移来探测光子的路径。这样，我们就可以在不破坏量子系统的相干性的情况下，得到量子系统的属性的信息。这种信息叫做弱值，它是一种特殊的测量结果，它可以反映出量子系统的预选和后选状态的影响，而不是量子系统的真实状态。 最后，我们要用一种特殊的方式来组合量子系统的不同属性的弱值，这种方式叫做干涉。干涉就是用一个装置来把量子系统的不同属性的弱值相加或相减，比如用一个波束分束器来把光子的不同路径的弱值相加或相减。这样，我们就可以在不同的测量上下文下，得到量子系统的不同属性的弱值的组合，而不是量子系统的真实属性的组合。这种组合叫做干涉弱值，它是一种特殊的干涉结果，它可以反映出量子系统的预选和后选状态的干涉，而不是量子系统的真实状态的干涉。 通过这三个步骤，我们就可以实现量子柴郡猫的效果。我们可以用一个预选和后选的量子系统，比如一个光子，来制造一个量子柴郡猫。我们可以用一个弱测量来探测光子的路径，比如用一个很小的位移来偏移光子的轨迹。我们可以用一个干涉来组合光子的路径的弱值，比如用一个波束分束器来合并光子的轨迹。这样，我们就可以得到一个奇怪的结果，就是光子的极化会出现在它所在的路径之外，而光子的路径会出现在它所在的极化之外。这就是量子柴郡猫的现象，它是一种非局域的效果，它表明了量子系统的属性和位置之间的分离。 量子柴郡猫是一个很有趣的思想实验，它展示了量子力学的一些非常奇妙的特征，比如上下文性、相干性和弱值。它也提出了一些很有意义的问题，比如量子系统的属性和位置之间的关系，以及量子系统的真实性和可观测性之间的关系。这些问题对于理解量子力学的本质和意义是很重要的，也对于开发量子技术和量子信息是很有用的。 |
