量子力学中路径信息的主观性

为何这个奇异的量子故事重要

在日常生活中，我们认为如果发生了某件事，总能说出它来自何处。一滴雨从云中落下；声音来自一个扬声器。然而在量子物理中，这个看似简单的观念会失效。本文报道了一项针对单个光子粒子的实验，展示了一个令人意外的转折：即便物理学家按常规认为对这些粒子拥有“完整的路径信息”，他们仍不能一致地断定这些粒子是由哪个源产生的。该结果促使我们重新思考“一个量子粒子到过哪里”的含义。

波、粒子以及你能知道的规则

一个多世纪以来，量子力学告诉我们像光子这样极小的对象既有波动性又有粒子性，但不能在同一个实验中同时以两者的方式显现。如果把装置布置成能产生明显波纹——即明暗条纹的干涉图样——那么你就必须放弃知道每个光子确切走过哪条路径。如果你改为探测它走的是哪条路，干涉图样就会消失。这种平衡由一条经受多次检验的规则刻画：随着干涉可见度的增加，路径信息必须减少，反之亦然。该规则已在通过两条路径或两条狭缝传播的光的多次实验中得到验证。

加入第三个源改变了故事

这项新研究考察了当存在的不仅仅是两个而是三个可能的光子产生途径时会发生什么。研究团队使用了三个近乎相同的非线性晶体，每个晶体都可以将一束紫色泵浦光转换成一对偏红的光子。晶体被排列成使得来自三者的光子走完全相同的路径到达探测器，从而在物理上不可区分。通过在晶体之间插入透明薄板，研究人员可以精细调节光波的相对相位，从而决定它们的贡献是相长还是相消。在这个精心设计的装置中，检测到的光子对总计率可以根据这些相位高、低或介于两者之间。

不同分组给出冲突的答案

实验的关键思想是你可以自由地以不同方式对备选项进行分组。对于三个晶体，你可以选择把前两个晶体合并视为单个“有效”源，而把第三个当作另一个源。通过调节某个相位，来自这对合并晶体的贡献可以被调到相消，使它们的联合概率振幅在数学上为零。在这种描述下，似乎所有观测到的光子都必须来自第三个晶体，按照常规规则这意味着你拥有完整的路径信息且不存在干涉。但实验室中没有任何实物改变，只有相位变化：晶体仍在原位，并且每个晶体单独都能产生光子。

两种同样合理但不能同时为真的说法

然后研究者以另一种方式对相同的物理装置重新分组：现在第一个晶体单独成组，而第二和第三晶体合并为一个源。通过不同但相容的相位选择，第二和第三晶体的联合贡献也可以被使其相消。在这个备选描述中，似乎所有光子都必须来自第一个晶体。两种分组方式都能得出自洽的预测，都满足干涉与路径知识之间的标准权衡，而且都可以描述同一次实验运行。然而它们对究竟哪个晶体“真正”产生了光子给出相反的答案——如果我们试图把路径信息解释为关于每个光子起源的客观事实，这就产生了逻辑冲突。

这对我们关于量子实在图景的意义

该实验表明，在三个源的情形中，你可以把装置安排得没有可见干涉，但对“光子来自哪个晶体？”这个问题却没有唯一、与语境无关的答案。整个系统的数学描述是精确且客观的，但我们如何把它划分为不同的备选路径——从而我们所说的“路径信息”——取决于我们所选择的视角。从这个意义上讲，量子力学中的路径信息并非粒子本身的绝对属性；它在一定程度上受我们如何描述实验的影响。这一见解深化了我们对量子互补性的理解，并表明即便像“粒子在哪里”这样熟悉的概念，在量子世界中也可能以微妙但根本的方式带有主观性。

引用: Jiang, X., Hochrainer, A., Kysela, J. et al. Subjective nature of path information in quantum mechanics. Nat Commun 17, 2433 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69034-7

关键词: 波粒二象性, 量子干涉, 光子对, 哪条路信息, 量子基础