對量子擦除實驗兩個細節的疑惑？

01-05

原題中的疑問很快就自己搞清楚了，後來主要的疑問變成實驗二能不能進行超光速通訊，在補充了一些基礎知識後以，能不能進行超光速通訊的問題也已經搞明白了，有興趣的知友可以看一下我自己的答案。
原題中的兩個疑問，其實很容易理解，第一個問題答案是相同偏振態的光子經過不同的圓偏振片之後會擁有不同的圓偏振態，這個時候不需要我們去檢測，由於光子本身已經攜帶了經過了哪條狹縫的信息，那麼它就不能再產生干涉了，當然由於實驗二中的光子在到達狹縫之前偏振態本來就不是確定的，所以加不加圓偏振片其實都沒有干涉條紋。第二個問題答案是需進行數據篩選。
以下是原題:
不會引用鏈接，只能用語言描述一下了。看了 @愛小臭老師在「為什麼我怎麼也理解不了波粒二向性，是我智商不夠嗎？」的回答中對量子擦除實驗的描述，有兩個細節搞不清楚，第一個是在實驗二中，測量光子a的偏振態，只能確定光子b的偏振態，是如何確定光子b通過哪條狹縫的呢？第二是在實驗三中，當每次只有一個光子通過雙縫時，我們並不能得到干涉圖樣，而只能得到一個點，只有當大量光子效果疊加的時候，我們才能看到干涉圖樣，可是，當大量光子效果疊加時，必然只有一部分被檢測到通過了哪條狹縫，而另一部分並不會被檢測到通過了哪條狹縫，那我們又是如何得到清晰的干涉圖樣的呢？

答案在2017年1月23日進行重新編輯。

3月2日進行二次修改，改正了圓偏振和線偏振關係的錯誤表述。

圖都自己消失了，是侵權了嗎？知乎內部引用已經註明出處也不可以嗎？

這個答案寫的時候為了說明問題進行了大量引用，使文字變得瑣碎，閱讀體驗很差，有時間整理一下，寫一個系列文章。

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首先吐槽一句，物理基礎知識不夠，要想讀懂物理實驗的結果，不是一般的難啊！

大概半個月之前我讀了@愛小臭對「為什麼我怎麼也理解不了波粒二象性，是因為智商不夠嗎？」的回答，其中介紹了三個實驗，第一個是雙縫干射實驗，第二個是量子擦除實驗，第三個是延時擦除實驗。

實驗一是我早就了解的，實驗二和實驗三沒有讀懂。之後查閱了很多關於量子擦除和延時擦除的介紹，實驗三基本弄懂了，可是實驗二始終沒有弄懂，思考過程中在知乎提了好幾個關於這個實驗的問題，都沒有人能給出滿意的解答。然後我開始懷疑這個實驗是不是錯了？因為根據實驗的描述很容易可以推斷能夠實現超光速通訊，而超光速通訊已經是被明確否定的東西了。

後來@Sun AO 和@Ivony 兩位老師回應了我的求助，Ivony老師也認為應該是實驗本身有問題。再後來，我查到了相干光源需要滿足的條件：

1、頻率相同。2、偏振方向相同。3、相位差恆定。

問題迎刃而解！關鍵在於第二條，偏振方向相同，愛小臭的實驗二不滿足這個條件。

下面詳細解讀一下，首先讓我們來看一下正確的量子擦除實驗是怎麼操作的：

（以下內容引自百度百科量子擦除實驗條目）

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實驗分三個階段。

第一階段，使用非線性BBO晶體產生糾纏光子對。自光子對產生起，它們就具有不同偏振態，沿不同方向傳播。沿下路徑傳播的光子會遇到雙縫，使用靈敏的探測器可以掃出這些光子的干涉圖樣。（答主注釋:光路中粉紅色元件是兩個偏振片，一個水平，一個垂直。）

第二階段，在下路徑上插入四分之一波長片。這樣任何通過縫A的光子將會被改變為順時針或逆時針的圓偏振，任何通過縫B的光子具有相反方向的圓偏振。當探測設備在先前的移動範圍內重新掃過，可以發現探測結果不再相同 - 干涉條紋消失 - 即，任何標記了光子路徑的行為都會破壞干涉條紋。

第三階段，下路徑不作變動，將一個起偏器插入到上路徑，使得任何通過下路徑的糾纏光子對的偏振方向也受到影響。因為上路徑的光子的偏振方向發生變化，下路徑光子的偏振狀態也會改變。通過對上路徑上起偏器選擇合適的偏振角，令下路徑上剛好有一半的光子具有相同的偏振方向。一旦它們有相同的偏振態，它們可以再次彼此干涉，或者從另一個角度來看，已經沒有標記指明哪個通過縫A，哪個通過縫B。

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這個介紹起初我也沒有看明白，後來看了百度貼吧里的一個帖子，我才恍然大悟！

（以下內容引自百度貼吧「請教關於量子擦除的一個問題」貼中黑體輻射的回復）

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請教關於量子擦除的一個問題_量子力學吧_百度貼吧

百度百科裡面還需要下面的補充才清楚：

首先探測器是單光子探測器，上下支路都是；由於糾纏光子對是同時產生，所以必須上面和下面同時測到單光子事件，才算一個事件被記錄下來；如果不是同時測到就不算，不做記錄。這點很重要，下面要用到。由於是單光子探測器，它必須在不同的位置測，把不同位置記錄的事件都畫下來，就形成了干涉圖。

現在看百度百科裡的第三步，「通過對上路徑上起偏器選擇合適的偏振角，令下路徑上剛好有一半的光子具有相同的偏振方向。」這句話的意思是，上路徑上起偏器選擇合適的偏振角後，有一半的光子事件沒有被記錄，因為他們沒有通過這個偏振片；有一半的光子被記錄，因為他們通過了這個偏振片。這一半被記錄的光子形成了干涉圖；其實沒被記錄的那一半光子也形成干涉圖，只是這兩個干涉圖疊加在一起的時候，由於波峰波谷相互抵消，就沒有干涉圖了！所以，所謂上支路影響下支路，只是說上支路濾出某些光子，這些光子對應的下支路光子會形成干涉圖，如此而已。

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實驗原理是這樣的，非線性BBO晶體可以使一個高能光子分裂為兩個頻率為原光子1/2的低能光子，這兩個低能光子偏振方向互相垂直，但具體哪個光子走上光路，哪一個光子走下光路是隨機的，這就是為什麼要在每個光路上都設置一個偏振片，目的是讓上光路的光子都是水平偏振，下光路的光子都是垂直偏振，只有這樣才能產生干涉條紋。

第二階段，在下光路雙縫後面插入兩個四分之一波長片，這裡百度百科的表述出現了問題，應該是任何通過縫A的光子將會被改變為順時針圓偏振，任何通過縫B的光子將會被改變為逆時針圓偏振，不會有相反的情況，因為由於偏振片的存在所有下光路的光子在通過雙縫之前都是垂直偏振的，現在你該知道為什麼干涉條紋消失了吧？因為通過雙縫後光子的偏振方向不一致了，不能滿足發生干涉的條件，干涉條紋自然就消失了。

第三階段，百度貼吧里的解釋已經很清楚了，但對我們這樣的物理小白可能還是會造成迷惑，下光路的光子都是垂直偏振的，即使濾掉一半還是垂直偏振的，通過雙縫以後偏振態被改變，為什麼又能相同了呢？這裡需要指出一個常識，圓偏振可以看做兩個方向線偏振的疊加，所以對於處於不同圓偏振態的兩個單光子有一定概率處於相同的線偏振態。

搞明白了百度百科的實驗，對於愛小臭的實驗理解起來就不那麼困難了，下面我們來看看他的實驗。

（以下內容引自愛小臭老師對「為什麼我怎麼也理解不了波粒二象性，是因為智商不夠嗎？」問題的回答中的實驗二）

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帶上3D眼鏡後，光子通過眼鏡的偏振性改變了，但是並不會改變試驗結果的干涉條紋：
下面就是真正讓你腦子燒糊的部分啦！
假如我們打開M1：M1測量光子A的偏振性。由於A與B處於糾纏態，他們其實是一個垂直一個水平，當光子B通過一個偏振片之後，偏振性就改變了。這個時候就與糾纏態，A的狀態也會改變，測量A，我們就能知道光子B「到底」是通過了兩個縫中的哪一條。這時候，驚人的結果發生了。只要打開M1，干涉條紋就消失了，擋板上的光子痕迹變成了兩坨。而關閉M1，干涉條紋就又回來了。

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這個實驗沒有畫出完整的光路圖，而且自始至終沒有用到到起偏器，那麼光子B的偏振態是隨機的，忽而水平，忽而垂直，那麼這個實驗裝置能夠得到干涉條紋嗎？答案是：不能！無論插不插入四分之一波長片，都沒有條紋！沒有條紋！沒有條紋！不論打不打開M1，都沒有條紋！沒有條紋！沒有條紋！

看，我們所擔心的超光速問題不會出現，就是這麼簡單！

僅僅是因為對形成干涉的基本條件不夠了解，造成了我們對實驗結果的困惑，這個對於專業物理人員根本就是常識性的東西，阻止了我們深入了解量子力學。科普人員認為這是常識，人人都懂，可是我們不懂，這就造成了專業人員和普通人的交流障礙。

再來看實驗三

（以下內容引自愛小臭老師對「為什麼我怎麼也理解不了波粒二象性，是因為智商不夠嗎？」問題的回答）

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這個試驗來自Kim博士2000年發表的一篇論文：
Phys. Rev. Lett. 84, 1 (2000)
延時量子擦除試驗，它甚至讓我們對「因果關係」產生了懷疑。

上面的圖是試驗台，下面的解釋很重要。一定要搞清試驗台是如何運作的。
1. 一道激光通過雙縫版，打到BBO上，形成了兩對糾纏態的光子；紅色的光路表示光子通過了上面一道縫（縫A），藍色的光路代表光子通過了下面一道縫（縫B）。請注意，光子的波長是完全一樣的！不同的顏色只是為了邏輯的區分它們通過了哪一道縫；
2. D0的角色是上一個試驗中最後觀測擋板的角色，D1~D4是感光元件，圖中的光路，從BBO至D1、D2、D3、D4的距離是完全一樣的。是BBO到D0的兩倍；
3. 如果沒有D1~D4所有的設備，那麼參考上一個試驗，我們沒辦法知道某一個光子是通過紅色光路到達D0、或是通過藍色光路到達D0，光在D0上，形成了干涉的條紋；
4. BSa，BSb，BSc是三面半銀透鏡，它有50%的幾率使得光子透過，50%的記錄使得光子反射。紅色光子的糾纏兄弟，有50%的幾率擊中D4，25%的幾率擊中D1,25%的幾率擊中D2；藍色光子的糾纏兄弟，有50%的幾率擊中D3，25%的幾率擊中D1,25%的幾率擊中D2；

5. 情況A. 假如D4感光，那麼我們就明確的知道，它的紅色糾纏兄弟擊中D0；假如D3感光，那麼我們就明確的知道，它的藍色糾纏兄弟擊中D0。如此，我們就知道了D0上面每一個光子是通過哪條縫的了！這個時候，D0上的干涉條紋退化了，變成了兩坨光印！
6. 情況B. 假如D1或者D2感光，那麼我們還是不可能知道D0上光子的光路情況，觀測信息相當於被擦除了。干涉條紋就被複原了！
7. 注意這個試驗很重要的一個暗示：D1D2感光和D3D4感光唯一的區別是，通過光路知識，我們能提取光子信息。沒有觀測者，沒有觀測意識，僅僅是知識本身，僅僅使我們可能知道的潛能，就導致了混合狀態的坍縮；
8. 最最重要的一點，所有D1~D4的感光信息的產生，都是發生在D0感光之後的！！彷彿光子預知了未來，決定了自己在通過雙縫之前是否坍縮。

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第3條，光在D0上形成了干涉條紋，這一點是錯的，激光發生器所產生的激光是單光子的，我們並不能直接從D0上面看到干涉條紋，我們需要對一個一個的點進行篩選，R1R2R3R4這四張圖，對應於所收集的點是哪個感光器感光的同時所收集到的，如果我們不進行篩選，任由每個點都留在M0上，那我們得到的還是兩坨光印。

什麼預知未來，什麼因果顛倒，僅僅是按照一定規律篩選，把能形成干涉條紋的光子篩選出來而已。

看吧，這麼一講是不是感覺沒有什麼神奇的地方？實驗才是王道，細節決定認知，搞不清楚細節只會讓我們越來越糊塗。

看了相關問題的答案

第一個問題因為狹縫後面有偏振片兩個糾纏態光子一個經過偏振片改變了偏振狀態另一個就也改變了所以能探測出來

第二個問題已經不是超光速的問題了實驗的現象看起來是把信息傳到了過去實際上也就是違背了因果律是人的一種基本方法論也是現代社會科學的最根本基石

至於能不能超光速的問題主要是指遙距傳送的情況

在我印象中理論上說是不能

調查了一下說發現的時候發信的時候會強行改變糾纏態物質中一個的狀態導致糾纏態失效又變成兩個獨立物質

我之前也有類似的疑問,也在原來那個問題下回答了:為什麼我怎麼也理解不了波粒二象性，是因為智商不夠嗎？ - McFlyHou 的回答 - 知乎 ,不過我非專業人士,所以只能泛泛地提出一定建議.

感謝答主 @univeagle 的回答,讓我更清楚了.

量子擦除實驗第二階段中說標記光子的行為會破壞干涉得不到干涉圖像。然是因為標記光子的行為改變了光波的偏振方向使它們的偏振方向不再相同，破壞了光波發生干涉的條件，所以得不到干涉圖像。還是因為標記光子的行為使光波塌縮為光子，顯示粒子性，所以得不到干涉圖像。而在@愛小臭的量子擦除延遲實驗中，關閉M1則M2得到干涉圖像，因為不知光子B通過了哪一條縫。但不論光子B通過了哪一條縫，我們不是都通過偏振片或者波片給它做上了標記嗎。而任何標記光子的行為都會破壞光子的干涉行為，所以M2應該得不到干涉圖像。還是很迷惑。