光聯(lián)盟導(dǎo)讀：
《量子》雜志發(fā)布量子雙縫實(shí)驗(yàn)新成果。
圖中展示了最簡(jiǎn)單的平價(jià)游戲例子。Alice (A)向Bob (B)彈一定數(shù)量的彈珠，目的是了解扭曲的管子的數(shù)量是偶數(shù)還是奇數(shù)。玩家需要四個(gè)普通的古典彈珠來完成任務(wù)。相比之下，兩個(gè)量子彈珠就足夠了。來源：? Borivoje Daki?
二十世紀(jì)著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)得主Richard Feynman曾說了這樣一句名言：“雙縫實(shí)驗(yàn)絕對(duì)不可能用任何經(jīng)典的方法來解釋，它是量子力學(xué)的核心。事實(shí)上，它包含著唯一的奧秘。”
量子像孩子一樣調(diào)皮
雙縫實(shí)驗(yàn) 圖源：網(wǎng)絡(luò)
事實(shí)上，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)量子粒子表現(xiàn)得好像它同時(shí)處于兩個(gè)不同的位置，并顯示出類似于聚合波的現(xiàn)象，例如干涉。然而，后來有人注意到，多縫實(shí)驗(yàn)表明，量子粒子的離域程度有其局限性，在某種意義上，量子粒子不能同時(shí)在兩個(gè)以上的位置離域。這種限制造成了一個(gè)至今尚未完全解決的難題。維也納大學(xué)和iqqi -Vienna(奧地利科學(xué)院)的研究人員已經(jīng)在理解這個(gè)問題上邁出了重要的一步，他們從信息理論游戲的角度重新制定了干擾實(shí)驗(yàn)。他們的分析最近發(fā)表在《量子》雜志上，提供了一種直觀的方式來思考干涉現(xiàn)象及其局限性，從而為解決上述難題鋪平了道路。
量子力學(xué)最顯著的特征之一是疊加原理。這個(gè)原理可以通過雙縫實(shí)驗(yàn)來很容易地說明，這個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及一個(gè)粒子通過一個(gè)有兩個(gè)縫的板。根據(jù)我們?nèi)粘５闹庇X，人們可能會(huì)認(rèn)為粒子總是要么通過一條縫，要么通過另一條縫。然而，量子力學(xué)暗示，在某種意義上，粒子可以同時(shí)通過兩個(gè)狹縫，也就是說，它可以同時(shí)處于兩個(gè)位置的疊加。這種可能性是量子干涉現(xiàn)象的基礎(chǔ)，即量子粒子所表現(xiàn)出的驚人的波狀行為?，F(xiàn)在，有沒有一種方法可以量化量子粒子去局域化的程度?量子理論允許粒子同時(shí)通過兩條以上的路徑嗎?為了理解這些問題，物理學(xué)家們分析了“多縫實(shí)驗(yàn)”，它與雙縫實(shí)驗(yàn)的區(qū)別只是在縫的數(shù)量上:例如，三縫實(shí)驗(yàn)涉及一個(gè)粒子通過三個(gè)縫被發(fā)送。
有人可能會(huì)認(rèn)為，如果一個(gè)量子粒子可以同時(shí)通過兩個(gè)狹縫，那么它也應(yīng)該能夠同時(shí)通過三個(gè)、四個(gè)或任意數(shù)量的狹縫。令人驚訝的是，人們立即注意到，在多縫實(shí)驗(yàn)中得到的任何圖形都可以用粒子總是最多同時(shí)通過兩個(gè)縫來解釋。即使從數(shù)學(xué)上完全理解了這一特征，以下問題仍然沒有得到解答:雙縫實(shí)驗(yàn)和多縫實(shí)驗(yàn)之間明顯的不對(duì)稱是否有物理原因?這種對(duì)量子粒子的“非定域”的武斷限制的基礎(chǔ)是什么?
在三種模擬光纖的實(shí)驗(yàn)中，干涉圖樣(上)和計(jì)算相關(guān)性(下)。數(shù)據(jù)位“000”和“111”是由光波噪聲中的負(fù)相關(guān)和正相關(guān)導(dǎo)出的，可見的光斑和黑點(diǎn)。
維也納大學(xué)和奧地利科學(xué)院的研究人員Sebastian Horvat和Borivoje Daki?在他們最近的工作中，通過利用信息論解決這一問題，在理解這一問題上邁出了重要的一步。也就是說，他們用“奇偶博弈”重新表述了干涉現(xiàn)象和多縫實(shí)驗(yàn)，最簡(jiǎn)單的例子如圖1所示。這個(gè)游戲有兩個(gè)玩家，Alice和Bob，他們被一堵用四對(duì)管子穿穿的墻隔開。每對(duì)管子可以是直的，也可以是雙絞的，而雙絞的數(shù)量對(duì)Alice和Bob都是未知的。此外，Alice有一定數(shù)量的彈珠可以穿過管子把彈珠彈給Bob。玩家可以用這些彈珠來了解管子的結(jié)構(gòu)。
游戲的目的是讓玩家合作，通過使用盡可能少的彈珠，找出纏繞成對(duì)的總數(shù)是偶數(shù)還是奇數(shù)。現(xiàn)在，假設(shè)Alice把一個(gè)彈珠扔進(jìn)了其中一個(gè)管子（如第二個(gè)管子）。然后，Bob就可以簡(jiǎn)單地判斷出第一對(duì)管子是直的還是扭曲的，只要檢查彈珠是穿過第二根管子還是穿過第一根管子就可以了。類似地，如果Alice有四顆彈珠，她可以將每一顆彈珠彈過每一顆彈珠的右管(如圖1所示)。然后Bob可以直接推斷雙絞線的數(shù)量，從而判斷這個(gè)數(shù)字是偶數(shù)還是奇數(shù)，從而贏得游戲。然而，如果兩根管的數(shù)量超過了Alice所擁有的彈珠的數(shù)量，那么這個(gè)游戲就不可能贏，因?yàn)榭倳?huì)有至少一根管，而Bob無法收集到任何信息。因此，為了贏得游戲，玩家需要使用盡可能多的彈珠。
另一方面，量子力學(xué)，更確切地說，是疊加原理，讓玩家能夠只用兩個(gè)“量子彈珠”就贏得圖中所示的游戲!理解這種增強(qiáng)來自何處的一種方法是記住，正如前面所述，一個(gè)量子粒子可以“同時(shí)通過兩個(gè)位置”。因此，兩個(gè)量子彈珠可以“同時(shí)通過四個(gè)位置”，從而模仿四個(gè)普通(經(jīng)典)彈珠的行為。在這款游戲中，彈珠的行為類似于可以通過管子插入的符號(hào)。當(dāng)Alice插入一個(gè)普通的古典大理石時(shí)，就好像她插入了一便士。
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另一方面，由于量子理論允許彈珠“同時(shí)通過兩個(gè)管道”，所以每個(gè)量子彈珠價(jià)值2便士。代幣的價(jià)值是附加的:例如，為了贏得游戲，Alice可以插入4個(gè)經(jīng)典彈珠或2個(gè)量子彈珠，因?yàn)樵谶@兩種情況下，代幣的總價(jià)值都等于4便士。”Sebastian Horvat解釋道。另一方面，回想一下一個(gè)量子粒子不能同時(shí)通過兩個(gè)以上的位置:這反映在Alice和Bob使用少于兩個(gè)量子彈珠就不能贏得游戲這一事實(shí)中。因此，為了贏得游戲，愛麗絲發(fā)送的量子彈珠的數(shù)量需要至少等于管對(duì)總數(shù)的一半。
在他們的工作中，研究人員分析了這個(gè)游戲的更一般的公式，并研究了玩家的表現(xiàn)取決于粒子的數(shù)量，以及粒子是經(jīng)典的、量子的，還是更一般的和假設(shè)的類型。Borivoje Daki?補(bǔ)充道:“這些假設(shè)的粒子擁有更高的信息處理能力，也就是說，它們對(duì)應(yīng)的代幣的有效性超過2便士。目前還不清楚為什么自然界更喜歡經(jīng)典粒子和量子粒子，而不是這些假設(shè)粒子:這是我們未來仍需研究的東西。”
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總而言之，宇稱博弈在一個(gè)更一般和直觀的框架內(nèi)提供了一種對(duì)量子干涉的替代描述，這將有望闡明量子疊加的新特征，類似于通過所謂的“非局部博弈”的公式來深化對(duì)量子糾纏的研究。
來源：Interferenceas an information-theoretic game, Quantum (2021). DOI:10.22331/q-2021-03-08-404
參考文獻(xiàn)：Sorkin, Rafael D. "Quantum mechanics as quantum measuretheory." Modern Physics Letters A 9.33 (1994): 3119-3127)，NicolasBrunner et al. Publisher's Note: Bell nonlocality [Rev. Mod. Phys.86, 419(2014)], Reviews of Modern Physics (2014). DOI:10.1103/RevModPhys.86.839
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