两只“量子柴郡猫”如何交换笑脸

看过童话《爱丽丝梦游仙境》的人都会记住那只咧着嘴笑的猫——“柴郡猫”,它(本体)可以凭空消失,但笑脸(属性)还挂在半空中。

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图源:小红书@大格同学Stephy。

亚基尔·阿哈罗诺夫等人发现,通过精巧设置合适的前后选择态,就可以展现类似《爱丽丝梦游仙境》中柴郡猫与其笑脸分离的现象。具体来说,在干涉仪的上路径中,对路径及条件自旋观测量实施的弱测量给出相应的弱值分别为0和1,也就是说,有一个没有猫的笑脸出现在该路径中。相应的,在下路径中实施的弱测量得到的弱值分别为1和0,也就是说,下路径中出现了一只没有笑脸的猫。简而言之,在干涉仪中“量子柴郡猫”和它的笑脸被分开了。

不但台空军老旧战机酿成惨重伤亡,台陆军今年也有古董坦克“杀人”。10月8日,台军“金门防卫指挥部烈屿守备大队”坦克连发生严重事故,一辆M41A3轻型坦克在演习中疑因车速太快撞上电线杆意外翻车,事故造成车上的两名台军士兵一死一伤。

在最初版本中,亚基尔·阿哈罗诺夫等人考虑将光子作为“量子柴郡猫”,并且将光子的自旋(偏振)作为其笑脸。整个系统由一个干涉仪构成,其中光子在经过分束镜后,可以选择上下两个路径。“我们可以通过对光子实施两组所谓的弱测量来揭示光子本体和其属性的分离,其中一组用于测量光子本体所处的位置,另一组则用于测量其自旋状态,也就是柴郡猫的笑脸的位置,测量结果则由弱值描述。”

“之所以被称为弱测量,是相对标准量子力学中的强测量而言的。”团队成员许小冶介绍说,众所周知,对描述微观量子系统波函数实施强测量,会将系统波函数随机坍缩到测量算符的某一个本征态,这个过程将不可避免地破坏量子系统的状态。例如使用检偏器对光子的偏振状态进行鉴定,尽管最终能够确定光子的偏振方向,但同时也会完全破坏初始状态,除非光子一开始就是处在检偏器的本征指向上。之所以将这个过程称为强测量,是因为测量过程中需要完成待测量子系统和测量探针之间的耦合,并且这个耦合是如此之强,能够将系统和探针完全纠缠起来。

图源:微博@新浪日娱@FASHION发现

中国科学技术大学一项最新研究成果表明,在量子世界中物质与其物理属性存在更为灵活多变的关系。“量子柴郡猫”所具有的属性不仅可以从其本体剥离,甚至可以被另一只“柴郡猫”捕获。也就是说,两只“柴郡猫”可以交换笑脸。

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该研究成果展示了量子世界中物质与其属性的灵活多变的关系,是理解量子力学基础问题的重要进展,对探索微观粒子的性质在接受测量之前是否具有实在性具有启发意义,将对量子力学基础问题的研究起到重要推动作用。

实验中,研究组首先通过自发参量下转换过程,制备出不存在经典描述的双光子超纠缠态。在这种状态下,两个光子的偏振和路径自由度分别处于最大纠缠态,但是两个维度之间处于毫无关联的直积状态。进一步通过在某些路径上施加自旋操作,将双光子制备到特定图态,完成前选择态的制备。随后在光路中引入虚时演化,实现对光子路径和自旋的弱测量。最后进行一种被称为联合贝尔态测量的操作,完成对系统的后选择。通过对不同的微扰种类和演化时间下的光子探测效率分析,就可以进一步获得光子的路径和偏振可观测量的弱值。这些弱值表明,实验中的两光子都展现出本体和属性分离的“量子柴郡猫”现象。

除了今年这些“害死人”的武器,台军中其他古董装备还有不少,例如服役时间创下世界纪录(超过70年)的“海狮”号和“海豹”号潜艇、列装半世纪的金门203毫米重炮等。岛内有人将台军这些古董武器超期服役的原因归结于大陆的政治压力导致“台湾对外军购困难”,但事实当真如此简单吗?

报道称,在马英九执政时代,台军曾规划引进意大利制教练机,F-5E本应于2019年退役。但蔡英文上台后“坚持台机台造”,打乱台空军的更新计划,使得F-5E战机只能“再多飞9年”。这些超期服役的F-5E在延寿改进时也没有更换性能欠佳的弹射座椅,是这次事故中飞行员遇难的重要原因。更让岛内担心的是,台军机类似情况并不罕见,“C-130H运输机迟迟未进行性能升级,仪表与航电系统仍保持30年前的原样”。

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《联合报》称,台空军透露,由于F-5战机在台军已服役超过40年,急需补充零部件,台空军2016年曾通过对美军购管道,希望F-5战机的美国原厂诺斯诺普公司恢复生产100余种零部件,但未获回复;台空军被迫自行寻找零部件商源,后因不得以,又于2018年再度对美提出零部件采购需求,但美方仍然没有响应。

而量子弱测量则考虑另外一种情况,那就是系统和探针之间的相互作用非常微弱,以至于不会破坏系统的量子状态,系统在发生耦合之后还可以继续演化,同时微弱的测量耦合也不会提供关于系统状态的有用信息。“这个概念在量子力学中是一个比较古老的话题,直到亚基尔·阿哈罗诺夫等三名科学家于1988年提出弱值的概念后,开始受到广泛关注。”许小冶说,和量子强测量中定义可观测量的期望值一样,可观测量的弱值被定义在前选择态和后选择态上,由两者共同决定。三位科学家在最初的文章中指出,弱值不再是可观测量的本征值,可以远超过本征值的范围,甚至可以取复数值。

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M41A3被嘲“战场打火机”

这起事故的“主角”M41坦克是20世纪50年代美国于朝鲜战争期间研制的,台湾从1958年开始引进。无论是装甲还是火炮,M41都远远落后于时代,尤其是这次发生事故的M41A3属于台军中最原始的型号,仍在使用击中就容易燃烧的汽油发动机,被嘲笑为一点就着的“战场打火机”。20世纪90年代初,美方曾有意对台出售M8轻型坦克替换M41,但是由于价格过于昂贵,台军放弃采购,仅将50辆M41A3改装为更换柴油发动机和升级火控系统的M41D版本。转眼又过去20多年,这种年过六旬的古董坦克早该被淘汰,但台军仍将其作为金门的重要装甲力量。

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中国科学技术大学郭光灿院士团队的李传锋、许金时、许小冶等人与南开大学陈景灵教授合作,基于光子的偏振与其本体分离,进一步实现两个光子偏振的无接触交换,揭示了“量子柴郡猫”的独特量子特性。

图源:小红书@是牛奶呀

尽管弱值概念广受争议,但在量子信息技术中已被广泛应用。例如中国科学技术大学研究团队在2013年基于弱值实现阿秒量级的高精度时间延时测量,以及最近实现纠缠系统波函数的直接表征。由于弱测量对系统状态的破坏可以做到最小,该技术在探索量子力学基本问题方面同样被广泛使用,例如测量微观粒子的波姆轨迹,以及观测杨氏双缝中非局域的动量传递。

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图源:微博@光希-Koki

自从台军F-5E战机于10月29日在训练中坠毁后,外界一直质疑该机事故频发与机型老旧、后勤维护不力有关。《联合报》的爆料无疑更增加了这种猜测的可信度。台湾《中国时报》称,F-5E/F是台湾第一种自行组装生产的喷气式战机,首架于1974年出厂。这次失事的F-5E战机于1980年11月14日出厂,总飞行时数6260小时。该机飞行员此前曾抱怨“F-5E已经旧到可以丢在废弃场,早晚要出事”。尽管台军宣称该机去年9月才完成大检,“飞行时数符合原厂要求”,但仍宣布同机型全部停飞。

“然而,观察‘量子柴郡猫’的笑脸交换并不容易,这涉及对多体量子系统弱值提取的难题。”许小冶介绍说,提取弱值的通常做法是引入辅助探针,当系统增大时,所需的耦合过程将会越来越复杂。想要实现光子偏振的无接触交换,势必涉及多个“量子柴郡猫”,进一步在系统中引入额外探针面临技术挑战。

发现灾害隐患后,贵州省、市、县、乡镇相关人员迅速赶赴现场,组织应急抢险工作。在组织撤离滑坡危险区内群众的同时,毕节市自然资源和规划局地质勘查科、省地质环境监测院毕节分院相关人员用无人机对隐患周边地质环境进行数据采集,生成三维建模,分析区域地质结构、地质灾害特征及成因,指导黔西县人民政府、技术保障单位开展应急调查、对周边地质灾害隐患巡排查,防范次生灾害发生,保障人民群众生命安全。目前,黔西县成立了以县委书记、县长任双组长的应急处置领导小组,组织进一步核实威胁范围,保障人民群众生命安全。(总台央视记者 陈春晓 杨晓东)

事实上,台军武器采购长期“政治挂帅”、只注重“表面光鲜”才是古董武器得不到更新、被迫超期服役乃至故障频发的根源。《中国时报》称,台军在“新军备购入,旧装备待退”的过渡阶段,往往轻视对旧装备的维护,认为再花经费在即将退役的装备上“很不划算”,因此老旧装备往往忽视安全性,以碰运气的心态“过一天算一天”。然而台军通常又对新装备的引进时机过于乐观,使得旧装备不得不超期服役,为重大事故的爆发埋下隐患。

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如果说台湾自行研制飞机坦克的难度大,那么手枪总该没有问题了吧?早在1986年,台湾就已经批量生产“国造”T75手枪。但2019年岛内媒体透露,台湾陆军终于开始替换“老掉牙”的四五手枪,计划分5年采购1万把自制T75K3手枪,台陆军234旅已率先换装。据称,由于轻武器等装备实在不起眼,手枪更被台军视为“无用、摆谱”的最末端武器,因此在台军服役时间超过70年的二战手枪一直未能汰换。这些古董手枪的枪管膛线已经磨光、枪支严重锈蚀,甚至导致台军射击测考成绩不佳,影响官兵考绩。

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70年前的手枪还在用

为了能够揭示“量子柴郡猫”笑脸的交换,中国科学技术大学郭光灿院士团队采用了被称为量子弱测量的技术。

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经典世界中的物体拥有各种各样的属性,如质量、体积等等。一般认为,物体本体与其拥有的属性是不可分离的,然而在量子世界中情况却有所不同。2013年的理论研究表明,微观粒子的物理属性(如电子的电荷和自旋、光子的偏振等)可以和其本体分离,这种现象被沃尔夫奖获得者亚基尔·阿哈罗诺夫(Yakir Aharonov)等人称为“量子柴郡猫”。

据统计,过去44年间,台军F-5E共发生30次重大事故,造成24名飞行员丧生。作为对比,新加坡引进F-5E的时间与台湾相差无几,但该机型却仅发生过两起飞行安全事故。这种差距反映出台军受岛内政治风潮影响,只注重政治影响大的先进武器采购环节,而忽视后续的日常维护。殊不知后者才是武器装备发挥正常战力的关键。

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日前,国际学术期刊《自然·通讯》发表了这项研究成果。本报7月14日刊发报道《我学者揭示“量子柴郡猫”独特量子特性》引发社会关注,围绕大家关心的问题,记者再次采访了该科研团队。

在“量子柴郡猫”的概念被提出后不久,来自奥地利维也纳科技大学的实验物理学家便利用中子进行了实验演示。在中子干涉仪中,通过外加磁场,精确调控其自旋和路径的量子状态,从而实现前选择态的制备以及后选择操作。实验结果正如亚基尔·阿哈罗诺夫等人所预言的那样,在干涉仪中,中子的自旋总是出现在与其本体位置相反的另一臂。紧接着,美国波特兰大学的实验物理学家使用自发参量下转换过程产生的可预报单光子进行了类似的实验,同样看到了“量子柴郡猫”现象。