量子擦除实验中,单光子进入马赫曾德干涉仪中。光子通过两个线偏振片“标记”为具有水平或垂直偏振态,指示它们从哪路通过干涉仪。干涉图案(波动性质)和路径信息(粒子性质)无法同时测量,因为测量路径信息会破坏干涉图案。第三个偏振片放在两路光合束后的位置,它将“擦除”路径信息,使光子再次失去标记,因此又能恢复干涉图案。
不同于原始量子擦除实验采用单光子,这种套件采用绿光连续波(CW)激光光源,产生人眼可见的光束。尽管实验结果可用经典物理解释,但量子力学解释可以完美类比单光子量子擦除实验。
量子擦除实验演示量子力学中的互补原理、路径信息和叠加原理。在干涉仪中分出光程略有不同的两路光演示光的波动特性。根据经典理论,光通过两干涉臂后打到屏幕上。如果光程差等于波长的整数倍,由于相长干涉产生亮条纹,如果光程差等于半波长的奇数倍,由于相消干涉产生暗条纹。由于透镜,通过干涉系统的所有光线不是传播相同的光程,因此最终产生同心环干涉图案。
干涉实验还可使用单光子光源进行。根据经典理论的预测,单光子通过干涉仪时,它需要选择通过的路径,而且由于所有光通过一路传播所以不会产生干涉图案。但是,经典解释不能用于单光子干涉实验,而且不能预测准确的结果。
根据量子力学解释,干涉仪中的光子具有两种可能的状态,分别对应于第一个干涉臂中的光子和第二个干涉臂中的光子。这两种状态的波函数发生叠加和干涉,如果有多个光子,光子最终只会打在观察屏上将会出现亮条纹的位置。单光子不能重现出完整的干涉图案,但如果在一段时间内记录很多单光子,累加结果就是一个干涉图案,和标准干涉实验中产生的干涉图案相同。
在量子力学尺度,有些信息不能同时确定。例如,海森伯不确定性原理指出,一个粒子在给定时间内的位置越精确,其动量就越不精确。如果有信息(即使是不自觉测量)能够反映一种性质(在此为光子传播的路径),那么每个粒子都不会表现波的干涉,因为此时破坏了波函数的叠加。但如果不存在某个测量结果的信息,光子不同状态的波函数就能叠加,因此能产生干涉图案。此外,如果有信息能够反映某种性质,但这种信息又被破坏或者说“擦除”(使得无法观测路径信息),那么粒子将再次表现波的干涉。
因此,如果试图测量光子的传播路径,那么单光子干涉仪的实验结果就会改变。如果测量了路径信息,就不存在干涉的两种状态,而光子就不会产生干涉图案;它们将在观察屏上产生单个大光斑。但是,如果路径信息被“擦除”,使路径信息不能被测量,那么干涉图案就会恢复。
