这项太空量子实验表明，现实也许只是你的幻想

量子力学是一门研究微观世界的物理学分支，它揭示了许多奇异而违反直觉的现象。其中之一就是光的双重性（波粒二象性），即光既可以表现为粒子，也可以表现为波。这取决于我们如何观测它。

上图是波粒二象性的说明，因为它与德布罗意的假设和海森堡的不确定性原理有关，在一维质量的无自旋粒子的位置和动量空间波函数方面。这些波函数是彼此的 傅里叶变换。

但是，这种选择并不是事先确定的，而是可以在光完成其大部分行程之后再做出。这就意味着我们对现实的决定会影响过去发生的事情。这种延迟选择实验可能有助于探索量子理论和相对论之间模糊的边界。

近日，一个国际团队利用意大利南部马泰拉激光测距天文台（Matera Laser Ranging Observatory）的1.5米望远镜向千公里外的卫星反射光子，进行了一次空间量子实验，证实了这种令人惊讶的效应。该实验首次展示了光子在数千公里距离上仍然保持其未定义的本质。

Mach–Zehnder 干涉仪经常用于空气动力学、等离子体物理学和传热领域，以测量气体的压力、密度和温度变化。在此图中，我们想象分析蜡烛火焰。可以监视任一输出图像。

该实验基于1970年代后期著名理论物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler）提出的一个思想实验。惠勒设想将单个光子发送到一个强调光波性质的装置中，称为马赫-泽德尔干涉仪（Mach-Zehnder interferometer）。

在 Mach-Zehnder 干涉仪中使用扩展源时产生的局部条纹。通过适当调整反射镜和分束器，可以将条纹定位在任何需要的平面上。

该装置使用一个类似镜子的“分束器”将进入的光子量子波分成两半，并沿着不同路径传播，就像人们沿着街区相反方向行走一样。然后第二个分束器重新合并两个波，在合并处产生干涉效应，并将光子引向一对探测器中的一个。哪个探测器被触发取决于两条路径长度之差，这符合干涉波的预期。

样品对马赫-曾德尔干涉仪输出光束相位的影响

如果移除第二个分束器，则干涉变得不可能。相反，第一个分束器将光子沿着一条或另一条路径发送出去，就像粒子一样。由于两条路径在第二个分束器原本所在位置交叉，在那里探测器无论如何都有相等概率被点击。

惠勒意识到，实验者甚至可以等到光子通过第一个分束器之后再移除第二个分束器。这种说法暗示了一个奇怪的事情——现在做出决定会影响过去发生事件：即光子是否像波一样分裂或者像粒子一样走一条路线。量子理论通过假设，在被测量之前，光子既是粒子又是波来避开这个问题。

意大利帕多瓦大学（University of Padua）Francesco Vedovato和Paolo Villoresi领导下团队进行了该思想实验，将光子的两条路径延长到数千公里。他们使用望远镜向卫星发射激光脉冲，并从卫星反射回来的光子中筛选出单个光子。

惠勒在太空中的延迟选择实验的图解

光子波包进入干涉仪的第一个BS，干涉仪在太空中沿着数千公里延伸。干涉仪可以根据两种配置随机排列，这些配置对应于位于地球上的第二个BS（输入/输出BS）的存在与否。按照惠勒的想法，当光子已经进入干涉仪时，进行配置选择。在我们的实际实现中，干涉仪在地面开始和结束，一直延伸到目标卫星，在地面上进行的测量选择是空间状，与卫星的光子反射分离。

在这个过程中，他们相当于制造了一个巨大的马赫-泽德尔干涉仪，其中第一个分束器是望远镜，第二个分束器是卫星上的反射器。他们通过调整望远镜和卫星之间的距离来改变两条路径的长度差，并通过控制卫星上反射器的角度来决定是否移除第二个分束器。

实验结果显示，当第二个分束器存在时，探测器之间观察到了干涉模式；当第二个分束器不存在时，则没有观察到干涉模式。这与惠勒的预测一致，表明光子在被测量之前既不是粒子也不是波。更重要的是，实验者在光子通过望远镜之后才做出是否移除第二个分束器的选择，这意味着他们对现实的选择会影响过去发生事件。

实验设置和检测直方图的方案

在插图中，显示了提取位的 1-s 样本。在MZI输出端，两个波片，一个PBS和两个单光子探测器（SPD）在{| ?，|??}的基础上进行偏振测量。根据随机位的值b，执行干扰或路径测量，如Starlette卫星通过的检测直方图所示。正如预期的那样，左侧直方图中央峰中的计数与右侧直方图上与侧峰相关的计数总和相当。

这种延迟选择实验并不真正违反因果律，因为实验者无法用这种方法传递信息。但它确实揭示了量子力学和经典物理学之间存在着根本性的区别。经典物理学认为现实是客观存在且独立于观察者的；而量子力学认为现实是主观构建且依赖于观察者的。

空间量子实验还有其他潜在应用。例如，它可以用来测试量子纠缠，在这种现象中，两个或多个粒子可以相互影响即使相隔很远。它也可以用来测试量子力学和广义相对论之间可能存在的冲突或修正。

总而言之，空间量子实验在一定程度上证实了现实是人主观所选择的，并展示了利用太空平台进行高精度量子物理研究和技术开发的可能性，这对人类的科学发展来说是意义非凡的。

A. Cho. Quantum experiment in space confirms that reality is what you make it. Science, 2017.F. Vedovato et al. Extending Wheeler’s delayed-choice experiment to space. Science Advances, 3(10):e1701180, 2017.Quantum Experiment In Space Confirms That Reality Is What You Make It. The Space Academy, 2017.