[论文解读] Anomalous Weak Values Emerging from Strong Interactions between Light and Matter

Yakir Aharonov, Eliahu Cohen+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2017

Quantum Mechanics and Applications参考文献 32被引用 5

一句话总结

本文提出两个思想实验，证明由预选与后选量子态引起的异常弱值可导致非凡的光-物质相互作用，包括看似从马赫-曾德尔干涉仪外部极远处的“幽灵光臂”发射光子。尽管相互作用强烈，这些效应仍通过光子计数与干涉图样得到验证，揭示出负的弱值，其行为类似于反粒子，且遵守守恒的物理定律。

ABSTRACT

Some predictions regarding pre- and post-selected states are far-reaching, thereby requiring validation with standard quantum measurements in addition to the customary weak measurements used so far, as well as other advanced techniques. We go further pursuing this goal, proposing two thought experiments which incorporate novel yet feasible validation methods of unconventional light-matter interactions. An excited atom traverses a Mach-Zehnder interferometer (MZI) under a special combination of pre- and post-selection. In the first experiment, photons emitted by the superposed atom, after being hit by two laser beams, are individually counted. Despite the interaction having definitely taken place, the numbers of photons emitted from each arm of the MZI are predicted, at the ensemble level, to be different from those expected with standard stimulated emission. In the second experiment, the atom spontaneously emits a photon while still in the MZI. This photon later serves as a strong measurement of the atom's energy upon hitting a photographic plate. The experiment is repeated to enable an interference effect of the emitted photons. Interestingly, the latter gives the appearance that the photons have been emitted by the atom from a position much farther from the two MZI arms L and R, as if in a "phantom arm" R'. These experiments also emphasize the key role of anomalous weak values in determining light-matter interactions. In fact, they present a straightforward realization of an entity we term counter-particles, namely pre- and post-selected states acting as if they have negative physical variables such as mass and energy. The novel verification methods we suggest for testing these predictions resemble weak measurements in some aspects, yet result from definite atomic transitions verified by the detected photons.

研究动机与目标

• 通过强投影测量而非弱测量来验证两态矢量形式理论（TSVF）的预测。
• 证明当预选与后选量子态结合时，光与物质之间的强相互作用可产生反直觉效应。
• 表明异常弱值——即非经典的、极大或负的可观测量值——可支配发射光子的空间与时间分布。
• 提出新颖且可行的验证TSVF预测的技术，利用光子探测与干涉图样。
• 探索量子干涉中“幽灵位置”的出现，即光子看似从物理装置外部位置发出。

提出的方法

• 系统涉及一个通过马赫-曾德尔干涉仪（MZI）与非对称分束器制备为空间叠加态的激发原子，形成预选态 |Ψ⟩ = (4/5)|R⟩ - (3/5)|L⟩。
• 通过一个对称分束器（50-50）施加后选，将原子投影到一个使路径算符产生异常弱值的最终态。
• 在第一个实验中，通过两束激光诱导受激辐射；测量每个MZI光臂的光子计数，以揭示与标准受激辐射预测的偏差。
• 在第二个实验中，原子处于叠加态时发生自发辐射；在感光板上探测发射的光子，形成干涉图样。
• 分析发射光子的干涉图样，以推断有效发射点，发现其偏移至位于7d处的“幽灵光臂”R′，远离开实际的MZI光臂。
• 理论分析采用弱值形式 ⟨Π⟩_w = ⟨Φ|Π|Ψ⟩ / ⟨Φ|Ψ⟩，其中异常值（如 -3 和 4）导致光子分布的有效空间位移。

实验结果

研究问题

• RQ1 光与物质之间的强相互作用是否能产生看似违反经典预期的效应，例如从物理装置外部位置发射光子？
• RQ2 异常弱值——即可观测量的非经典、极大或负的取值——在实际物理过程（如光子发射）中如何表现？
• RQ3 是否可以使用投影（强）测量而非弱测量来验证预选与后选系统中两态矢量形式理论（TSVF）的预测？
• RQ4 看似从远处位置发出的“幽灵光臂”发射的物理起源是什么，即光子似乎从远离实际干涉仪光臂的位置发出？
• RQ5 从叠加态原子发射的光子的干涉如何导致光子分布的空间位移，而这种位移无法用标准量子力学解释？

主要发现

• 在受激辐射过程中，每个MZI光臂发射的光子数与标准受激辐射预测显著偏离，此结果由路径投影算符的异常弱值证实。
• 在自发辐射实验中，发射光子的干涉图样表明，每个光子似乎来自位于R′ = 7d处的“幽灵光臂”，该位置远离开实际光臂L与R，尽管原子被局域在干涉仪内部。
• 有效发射点由弱值组合 ⟨Π_L⟩_w = -3 与 ⟨Π_R⟩_w = 4 推导得出，导致光子分布产生约7d的净位移。
• 来自幽灵光臂的光子到达时间与来自实际光臂的光子相似，表明该效应并非时间延迟的伪影，而是真实的位移。
• 该效应在干涉中具有鲁棒性，若任一发射路径被阻挡则消失，证实其源于相干叠加与异常弱值。
• 推广至任意实数 α, β 且满足 α = β + 1 时，位移为 (α + β)d，表明有效发射点的空间位移可调且可控。