Complementarity Test with Unmeasured, Permanently Inaccessible Path Markers

在量子世界中，现实的规则往往似乎取决于一个单一且充满悖论的问题：一个粒子是否知道自己走了哪条路径？当一个光子（一小包光）穿过具有两条可能路径的装置时，它的行为就像波一样，向外扩散并与自身发生干涉，从而产生明暗相间的条纹图案。这种类波行为是量子力学的核心。然而，如果存在任何能够揭示光子选择了哪条特定路径的信息，这种类波图案就会消失，粒子就会表现得像一个实体对象，只走一条路径。这一被称为“互补性”的原理表明，宇宙禁止我们在同一时间观察到光的波动性和粒子性。几十年来，物理学家们一直在测试这一观点，但一直存在着一种微妙的怀疑。在以往的每一次实验中，记录光子路径的“标记物”最终都会被探测器或环境捕捉、测量或吸收。即使这种测量发生在稍后，信息也从未真正丢失；它仍然处于物理世界的触及范围之内。这留下了一个漏洞：或许宇宙只有在路径信息被实际记录下来时，才会决定破坏波图样，而不仅仅是理论上存在该信息。

加州大学圣塔芭芭拉分校的一个研究小组现在通过一项将路径信息永远送走的实验，填补了这个漏洞。他们创造了纠缠光子对，其中一个光子（称为信号光子）留在实验室干涉仪内以产生干涉图样，而其伴生光子（称为闲置光子）则携带了关于信号光子走过哪条路径的唯一记录。研究人员并没有捕捉闲置光子，而是将其从屋顶向上发射，使其沿着轨迹直接飞向宇宙。他们计算出，在这些发射的光子中，有73%到82%会永远旅行下去，永远不会撞击到尘埃颗粒、气体云或探测器。对于这些特定的光子，路径记录将保持未被测量且永久无法获取的状态，以光速远离实验室。如果波函数的坍缩取决于路径信息的记录，那么当其伴生光子被送走时，信号光子的干涉图样应该会发生变化。但当研究人员分析数据时，他们发现没有任何变化。信号光子继续表现为波，完全不受其伴生光子消失于苍穹之上的影响。

该实验依赖于一个精确的装置，涉及一台产生纠缠光子对的激光器以及一套复杂的反射镜和光纤系统。信号光子经过一条延迟线进入马赫-曾德尔干涉仪，这是一种将光分成两条路径然后重新组合的装置。闲置光子通过一条单独的光纤前往屋顶站。在这里，研究人员可以选择捕捉闲置光子以检查其路径、擦除路径信息，或者将其发射到空中。在关键的测试运行中，闲置光子被向上发射。团队对这些光子穿越大气层、银河系以及星系间广袤真空的旅程进行了建模。他们的计算表明，对于大多数此类光子，其旅程将不受阻碍。它们不会发生散射、吸收或在环境中留下痕迹。这意味着对于这些幸存的光子，路径信息虽然编码在量子态中，但从未成为物理世界中的记录。

研究人员监测了信号光子，观察其是否出现任何因发射而改变行为的迹象。他们寻找一种特定的干涉条纹，如果路径信息以某种方式“丢失”从而恢复了波图样，这种条纹就会出现。在收集了六小时的数据并分析了数百万次探测事件后，他们没有发现任何具有统计学意义的变化。无论其伴生光子是被测量还是被送走，信号光子的行为都完全符合标准量子理论的预测。团队计算得出，如果发生了由发射引起的改变，这种改变本应以极高的置信度被观察到。相反，任何此类效应的上界都小于预期中波图样完全回归值的16%。这一结果证实，仅仅是“已知路径的可能性”并不足以破坏干涉；相反，只要路径信息保持未被测量且与外界因果脱节，干涉就会持续存在。

这一发现解决了关于量子系统何时以及如何从模糊的可能性叠加态过渡到确定现实的长久争论。一些理论认为，宇宙可能会等待记录的形成，即使这个记录是在遥远的未来或由遥远的事件形成的。通过确保路径标记被送往一个未来任何事件都无法触及的地方，研究人员测试了这一想法的极限。干涉图样保持不变这一事实表明，量子态并不会等待测量来发生坍缩。相反，类波行为是由纠缠对的联合态决定的，如果标记物保持未被测量且无法获取，干涉就会存在。该实验并未证明宇宙是决定论的或不存在隐变量，但它排除了一类特定的理论，即波函数的坍缩取决于路径信息的因果可及性。

这项工作的意义在于其能够将信息的编码行为与测量的行为隔离开来。在以往的实验中，路径标记总是会被测量，即使测量发生在信号检测之后。而这种新设置确保了对于很大一部分光子而言，标记物从未被测量。研究人员并不是声称看到了某种新力量或新粒子，而是确认了一个在从未经受测试的条件下依然成立的量子力学基本预言。其结果是对量子世界运作规则的一次静谧而有力的肯定，证明这些规则即使在被推向可观测宇宙的边缘时依然保持一致。那些被发射向天空的光子继续着它们的旅程，带着它们未被测量的秘密，而下方的实验室保持不变，其干涉图样依然完好。

团队的结论基于他们收集的数据，这些数据并未显示出对标准模型的偏离。他们没有发现发射光子的行为导致信号发生变化的证据。他们为任何潜在效应设定的上限足够小，足以排除“宇宙在决定干涉命运之前必须等待记录形成”的观点。这并不意味着关于量子力学如何连接现实的问题已得到完全解决，但它消除了一个长期存在的特定不确定性。实验表明，只要路径信息真正丢失于宇宙，粒子的波动性质就会保持。这是对量子力学边界的一次测试，而目前来看，该理论依然稳固。研究人员已经证明，量子干涉的微妙平衡并不需要一个意识观察者或物理记录来维持；它只需要信息保持在无法触及的状态。