[论文解读] Reply to L.Vaidman's comment on "Asking photons where they have been in plain language"

D. Sokolovski|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2017

Climate Change Communication and Perception被引用 4

一句话总结

本文挑战了对量子弱测量的一种解释，即认为光子‘曾存在于’它们经典上未进入的区域（如嵌套干涉仪）之中。文章认为，所谓的‘弱痕迹’标准——用于推断粒子过去路径的依据——是基于对量子概率振幅的误解，而非弱值本身，且此类推断会导致关于光子路径的物理上错误的结论。

ABSTRACT

Vaidman's analysis of the photon's past is based on incorrect interpretation of quantum probability amplitudes. The confusion stems from his original work [{\it Phys. Rev. Lett.} extbf{60}, 1351 (1988)], which missed the connection between the amplitudes and the "weak values" introduced therein.

研究动机与目标

• 反驳F1中提出的观点，即光子可在未进入或离开嵌套干涉仪的情况下被说成‘曾存在于’其中。
• 阐明Vaidman提出的‘弱痕迹’标准是基于对量子概率振幅的误解。
• 证明当弱测量形式被误用时，会导致关于量子粒子过去状态的物理上无效结论。
• 强调基于费曼路径积分原理的标准量子力学，并不允许对粒子过去作出确定性陈述，除非有可测量的证据支持。
• 纠正一种误解：非零弱值并不意味着粒子曾存在于某位置，而仅表示该位置对振幅有非零贡献。

提出的方法

• 分析F1中的干涉仪设置，识别出三种到达探测器的路径：经由点C，以及经由E→A→F和E→B→F。
• 使用标准量子力学计算归一化的概率振幅（αj = Aj / ΣAi），表明弱测量给出这些振幅的加权平均值。
• 应用原理：非零弱值（或痕迹）仅表示振幅贡献非零，而非物理存在。
• 证明在E和F处弱痕迹为零，意味着αEAF = -αEBF，这一条件被明确设计于干涉仪中。
• 通过思想实验（如阻挡BS1–BS2或BS3–BS4臂）来检验弱痕迹标准的有效性。
• 引用费曼的警告：当存在干涉时，不应赋予粒子确定的路径，从而否定对预选与后选系统存在确定过去路径的看法。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否基于弱测量断言光子曾存在于其经典上未进入的区域？
• RQ2 弱痕迹标准是否能正确推断量子粒子的过去位置？
• RQ3 非零弱值在量子振幅上的正确解释是什么？
• RQ4 微弱漏电信号的存在如何影响弱痕迹推断的有效性？
• RQ5 阻挡干涉仪的某些臂是否能证伪光子曾存在于嵌套回路中的说法？

主要发现

• 弱痕迹标准错误地将量子概率振幅解释为物理存在的指标，导致对光子过去路径的错误结论。
• 在A、B和C处的非零弱痕迹仅表示相应振幅贡献非零，并不表示光子在这些位置有物理存在。
• 在E和F处的零弱痕迹表明，路径E→A→F和E→B→F的振幅大小相等、符号相反，这一条件被明确设计于干涉仪中。
• 阻挡BS1–BS2臂会消除A和B探测器的信号，证明这些信号依赖于光子在嵌套回路中的振幅，从而反驳了光子从未进入该回路的说法。
• 在E和F处存在微弱漏电信号并非可忽略；它们对A和B处的强信号至关重要，若无这些信号，观测结果将不成立。
• 断言光子在未进入或离开的情况下存在于嵌套干涉仪中，是物理上无根据的，且与费曼所警告的标准量子力学相矛盾。