你相信过去可以被改变吗？量子的延迟选择实验似乎给出了肯定的答复。今天，我们就来了解一下这个实验，以及这个实验的加强版，更加诡异的延迟选择量子擦除实验。了解了这个实验，我们就可以一揽子了解几个量子力学的重量级概念，概率论、互补原理、波粒二象性、量子纠缠等等，从此就可以无障碍地聊量子论了。
我的西瓜视频中曾简单提到了电子双缝实验，如果你觉得很难理解，没有关系。因为量子论的奠基人之一波尔说过，如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。
波尔
双缝实验
首先，我们简单回顾一下单光子双缝实验。大家知道，光是一种电磁波，而干涉是波的特性。因此，当让一束光通过双缝时，双缝分割后的两个光波就会相互干涉，在感光屏上产生干涉条纹。那么，如果让光子一个一个地通过双缝，结果会怎么样呢？按通常的理解，既然光子是一个一个地通过狭缝的，最后形成的，肯定是和双缝对应的两条光斑。但是实验证明，即便是单光子，最后形成的也是干涉图样。
绿色激光通过分别宽0.4毫米，相距0.1毫米的狭缝后形成的干涉图形
于是问题就出来了，单个光子和谁去干涉呢？量子论的结论就是光子和自己产生了干涉，因为一个光子同时通过了两条缝。这很难让人相信，当时爱因斯坦也不信。那么，我们去看一下光子到底是走的哪条缝不就行了吗？但是，如果我们试图去观察光子走的是哪条缝，干涉图样就会消失。光子就会每次只走一条缝。这就是波尔提出的量子论的核心理论之一，互补原理。通常称作“波粒二象性”，体现了波动性和粒子性的互补。也就是说，光子、电子等等这些微观粒子，到底是波还是粒子，取决于你的观测方式，你以粒子的方式去观测它，它就显示出粒子性。你以波的方式去观测它，它就显示出波的特性。
引申一下，我们说一张白纸是白色的，实际上包含了隐含的观测方式，也就是人用肉眼在阳光下去看，纸是白的，如果戴个红色眼镜，纸就是红色的。如果你要探究这张白纸“本来“是什么颜色的？量子论的回答是，没有”本来“，唯一存在的，就是我们能够观测到的世界。脱离了观测手段，去探讨这张纸的颜色，是没有意义的。
如果我们把光子经过了哪条缝称作“路径信息”，那么也可以说“路径信息”和“干涉条纹”之间具有互补性。如果我们获得了路径信息，就会破坏干涉条纹。
延迟选择
好，了解了以上基本内容。我们先来看看物理学家 约翰·惠勒 于1979年提出的一个思想实验：延迟选择。
从光源发出一个光子，让它通过一个半透镜。半透镜的特性就是光子有50%的概率被反射，走红色路线; 有50%的概率透射过去，走蓝色路线。之后，在反射或者透射后光子的路径上，分别再放一个全反射镜，让两条路线在C处交叉。然后，在C处放两个探测器，分别观测光子从那里来。这时候，只有一个探测器能够探测到光子，我们也就因此能够确定光子走的是那一条路径。此时光子体现的是粒子性。
上图：不加全反射镜; 下图：加入全反射镜
如果我们在两个探测器之前再放一个半透镜，那么光子又会分别有50%的概率被反射或透射，从而和自身发生干涉，经过适当调整，可以如何某一方向的干涉光互相抵消，比如让A的干涉光抵消，那么我们就会发现在A探测器上永远无法探测到信号，而B则一定会接受到信号。这就说明光子同时走过了两条路径，才会与自身进行干涉，体现出波动性。
还记得之前说过的互补原理吧，如果我们知道光子的路径，光子就表现出粒子性; 否则，就会表现出波动性。
实验到这里，和之前说的单光子双缝干涉实验其实没有太大差别。接下来，神奇的是，如果我们先不放第二个半透镜，等光子已经通过半透镜1后，已经确定了是要走A或者B之后，我们再突然把第二个半透镜放上。这就是“延迟选择”的意思。这时候，按理说光子应该傻眼了，它不可能返回去再重新选择同时走两条路，它只能表现出粒子性，也就是最终A和B的探测器各有50%概率能够探测到光子。但是实际上，结果还是只有B能接受到信号，体现出了光子同时通过两条路径。也就是说，我们现在的行为改变了过去发生的事情。
够神奇吧？真的是这样吗？我们接着看。
如果说，我们直接观察光子走哪条路径会干扰到实验结果的话，那么我们就采取一种方法，间接地获得光子的路径信息，结果会怎么样呢? 接下来我们看到的就是更加诡异的延迟选择量子擦除实验。
延迟选择量子擦除实验
该实验的论文发表于1999年。首先还是发出一个光子，光子通过双缝后，经过放置在A或者B处的一个名叫BBO的晶体。BBO晶体的作用，就是把这个光子转换为处于纠缠态的一对光子，至于什么是纠缠态，咱们后面再说。这一对光子，其中一个，称为“信号光子”（signal photon），也就是咱们的实验对象。而另外一个光子，就叫它孪生光子吧（idler photon），这是我们的观测光子，我们需要通过观测孪生光子，来确定信号光子的路径。通过A缝的用红色表示，B用蓝色。
信号光子通过透镜后，到达检测器D0，为了说起来方便，我就把D0叫做屏幕吧，可以显示是否有干涉条纹。而孪生光子，则被引向一堆检测设备。首先，通过一个棱镜PS将红蓝路径完全分开，之后在红蓝路径上，分别有一个半透镜，BSa、BSb，这样，反射后的孪生光子，就会到达D3或者D4检测点，而这两个检测点，是能够知道路径的检测点。因为从D3检测到光子，就说明光子来自于B，从D4检测到光子，就说明光子来自于A。
如果孪生光子从BSa或者BSb透射过去了，就会到达两个全反射镜，Ma或Mb，反射后的光线的交汇点处，再放一个半透镜BSc，使反射和透射的光线到达D1或者D2检测点，那么在这两个检测点上是检测不到光子的路径信息的，也就是说D1或D2，擦除了光子的路径信息。因为不管是从D1检测到光子，还是从D2检测到光子，都是有一半红、一半蓝，我们根本无法确定光子到底从哪里来的，也就是把光子的路径信息擦掉了。
实验进行的时候，让孪生光子比信号光子延迟8纳秒，相对于探测器的1纳秒响应时间，8纳秒已经足够实现延迟擦除了。
因此，我们完全可以保证在信号光子已经到达屏幕时，再去决定是选择明确路径的D3、D4检测点，还是擦除了路径信息的D1、D2检测点。
还记得互补原理吗？如果我们知道了路径，就会破坏干涉，如果我们擦除了路径，就会出现干涉。但是这次是因为信号光子已经到达屏幕了，我们才做的决定，应该不会再对结果产生影响了吧？互补原理该被推翻了吧？
如何解释？
实验结果证明，互补原理依然成立。首先，只要我们有知道路径信息的手段，光子就不给我们干涉条纹，只要我们没办法知道路径信息，干涉条纹就会出现。仿佛光子在跟人类捉迷藏。其次，即便是在信号光子已经先到达的情况下再去选择是否擦除路径，结果不会有任何变化。难道光子能够提前预测到我们行动，或者说，我们现在的决定改变了光子的过去吗？
对于延迟选择，波尔说过，”任何一种基本量子现象只在其被记录后才是一种现象”，在我们没有完成实验之前，光子的状态或者说它的位置是不确定的，它依然处于叠加态之中，不存在已经走了A或者B的情况，也就是说，我们什么时候作出决定在量子实验中是没有区别的。我们不能改变过去，但是我们却可以延迟决定过去应该怎样发生。也就是说，宇宙的历史，可能是在它已经发生后才被决定究竟是怎样发生的。
对于延迟选择量子擦除实验，有一种基于量子纠缠的解释。什么是量子纠缠呢，简单来说，就是两个处于纠缠态的粒子，其物理性质是相互关联的。比如电子的自旋，以上下自旋举例，假设有两个处于纠缠态的电子，把他们分开很远，比如1000公里，在没有观测时，两个电子的自旋处于叠加态，或者说，自旋方向是不确定的。此时，如果我们观测一个电子，它表现出了上自旋，那么另外一个电子则瞬间表现出了下自旋状态。反之亦然，这就是纠缠态。这个瞬间，其实就是同时，比光传播1000公里的速度还要快。因此也引出使用量子纠缠超光速通讯的说法，当然实际上是不行的，量子纠缠无法携带信息，光速在目前依然是不可超越的。基于量子纠缠的解释的根本，就是在于处于纠缠态的粒子是一个整体系统，我们不可以把他们当作独立的子系统对待。还记得实验中，信号光子和孪生光子是一对处于纠缠态的光子吗？他们其实是一个整体的系统，具有不可分性。所以，我们不能去单独讨论信号光子的状态而忽略孪生光子的状态，过去并没有被改变，只是在我们做出决定之后，干涉才算完成。也因此，论文中给出的图形，包括干涉条纹，都是结合信号光子和孪生光子的联合检测率。
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