光子的随机性到底是什么先直接给结论光子的量子随机性主要来源于「量子态被测量发生坍缩时测量结果的不可预知」。它不是初始相位随机也不是光子自己在空间乱飘位置随机只是其中一类测量结果除此以外自旋 / 偏振、动量、时间也都会表现出随机性。结合前面的三重属性分开把几个概念拆开分清哪些是量子内禀随机哪些只是普通的经典噪声。1、位置的随机性最熟悉双缝实验光子在没有被测量的时候没有确定的空间位置只有概率振幅波函数用数学表达这种随机性的一种方式给出空间上每一点出现的概率。 当探测器 / 屏幕去测量它的位置这一刻量子态坍缩光子随机出现在空间某一个离散点位。波函数本身薛定谔方程演化是完全确定的概率地图是算得出来的随机的是众多允许的结果里实际落在哪一个。例子单光子双缝干涉。干涉图案概率分布是完全确定但每一个光子打在屏幕上的光点位置单次不可预测这就是位置测量的随机性。 这是大家最常说的光子随机性但它只是其中一种不是全部。2、相位的随机性要区分两种情况① 量子态本身的相位相干相位—— 不是随机单个光子波包的相对相位是量子态的一部分是确定的。 双缝干涉之所以能干涉就是两条路径的相位差是确定如果相位本身是随机干涉条纹直接消失。② 经典相位噪声很多光子、热光源—— 这是经典随机不是量子随机性比如白炽灯、太阳光亿万个独立原子随机发光每个光子诞生的初相位互相没有关联相位杂乱无章。 这是大量独立发光源的统计混乱属于经典噪音不是单光子本身的量子随机性。激光的各个光子相位高度同步相位噪声很小但激光里面的单个光子测量位置、偏振依然有量子随机性。关键点初始相位随机 ≠ 量子随机性。单光子量子随机性不会来自 “诞生时相位乱掉”。3、自旋 / 偏振测量的随机性另一个典型量子随机举例子线偏振单光子。 它是左旋自旋、右旋自旋的相干叠加态。波函数是确定的两个分量相位固定。 但是当你用圆偏振器件去测量自旋会随机得到左旋 或者 右旋各 50% 概率。波 / 叠加态本身完全确定测量输出结果随机。这里没有涉及空间位置依然体现光子的量子随机性。4、时间、动量也可以体现随机性时间一个激发原子释放光子光子具体在哪一个时刻释放出来是量子概率事件动量部分量子态下测量动量同样得到概率分布单次测量结果随机。5、统一概括光子随机性的本质演化过程是确定的没有测量干扰时光子波包概率振幅按薛定谔方程确定性演化相位、概率分布全部可以精确计算。所谓没有测量就是无数光子长时间运行的宏观特征随机性发生在测量相互作用时刻即一次测量、一次性样本 量子态是多个本征态的叠加测量会迫使系统坍缩到其中某一个本征态具体落到哪一个是内禀量子随机没有隐藏变量可以提前预知。所以✅位置随机是位置基底下测量坍缩的随机结果✅自旋偏振随机是自旋基底下测量坍缩的随机结果 ❌不是光子发射出来初始相位乱掉 ❌不是光子像小球一样无规则到处乱飞。通俗比喻好比一副已经洗好的扑克牌牌的整套排布规则波函数、概率分布是固定写好的。但你抽牌测量的时候抽到哪一张是随机的。 牌本⾝的规则不变随机发生在抽取这一步而不是牌本身一直在乱变。6、区分量子随机 vs 经典随机非常容易混淆表格类型来源例子量子内禀随机性量子叠加态测量坍缩物理底层本质没有更深层原因单光子落点随机线偏振光子测自旋随机经典随机性噪声大量独立个体混乱叠加信息只是人类没有测全太阳光光子初相位杂乱热光源强度起伏热光的相位随机属于后者就算你把所有经典信息全部拿到也消除不掉真正的量子测量随机性。7、回到我们整套体系粒子‑波动‑随机三重特征粒子性相互作用时只能得到完整、离散的结果一个光点、某一种自旋不能半个波动性允许量子态以叠加态存在构建出一套确定的概率振幅地图随机性测量发生时从这套确定概率地图中随机选出一个离散现实结果。一句话总结光子的随机性不是初始相位乱也不是它到处乱飘是叠加态在测量坍缩时输出结果的概率随机性。位置随机只是其中一种表现形式自旋、时间、动量测量同样可以体现这种底层随机性。