《科学》：量子问题没有简单的加减法

图片说明：对光子来说，1+2并不等于2+1。（图片来源：Nature）

从你那里拿走一些东西，剩下的会比原来的还多？不要惊讶，这不是橘子，而是量子。意大利科学家的一项最新研究发现，从一束激光中去除一个光子，剩余的光子可能比原来的还多。这是科学家首次利用实践证实量子物理中的一个基本规则——量子非交换效应（quantum non-commutative effect）。该研究成果照亮了通往量子加密技术的道路，相关论文发表在9月28日的《科学》杂志上。

从理论上来说，科学家已经知道，按照不同的顺序进行量子操作会导致不同的结果。这从海森堡测不准原理（Heisenberg uncertainty principle）可见一斑。该原理认为，不可能同时确定一个粒子的精确位置和动量，因为要测量这两个量必定会影响到粒子的属性。而该理论的数学表达式说明，测量位置和动量的先后顺序会影响得到的结果。

在最新的研究中，意大利应用光学国家研究所（National Institute of Applied Optics）的Marco Bellini和同事利用实验验证了这一怪诞的问题。他们将一束激光穿过旋转的玻璃盘，这会在一定程度上增加该定向激光的混乱状态。尽管无法知晓激光束中光子的精确数量，但科学家可以通过量子态探测器确定光子的平均数量。随后，利用一种已被证实的技术，研究人员对激光束进行了两次操作——先加入一个光子再去除一个光子，以及先去除一个再加入一个。结果发现，两次实验最终测得的光子平均数量并不相同。

值得注意的是，在某些条件下甚至还会出现这样的情况，即去除一个光子后，激光束的平均光子数量还会增加。Bellini说，“不要忘了这是量子层面，如果研究的是乒乓球就不会这样了。”

美国罗彻斯特大学的Robert Boyd评价说，“这项实验进行得很漂亮，它是我所知晓的对非交换量子理论最直接的验证。”此外，Boyd对Bellini的认识表示了认同，实验中添加或减少光子的技术原则上可应用于设计光线，从而为利用量子方法进行信息加密带来不可思议的帮助。（科学网任霄鹏/编译）