今日Nature：南大科學家實現光子波態與粒子態的可控量子疊加_風聞

來源：轉載自知社學術圈 2019-9-3

按光的波粒二象性，光既可以表現為波也可以表現為粒子。而近期，南京大學馬小松教授的團隊實現了對這兩種互補狀態的可控量子疊加，證明實驗中的光處於一種”波－粒疊加狀態“。這是科學家首次在嚴格的愛因斯坦定域性條件下實現量子版本延遲選擇實驗。相關論文成果本週發表在《自然-光子學》雜誌上。

因果律的夢魘：延遲選擇實驗

光的本質究竟是波還是粒子，這一點在科學史上有過長時間的爭論。楊氏雙縫干涉實驗確鑿無疑地證明了光的波動性，而愛因斯坦對光電效應的解釋則説明了光的粒子性。在這些看似矛盾的實驗現象的驅使下，量子物理最終發展出了波粒二象性的理論框架。當時科學家們主張，光既可以是波也可以是粒子，但不會同時是波和粒子。但光的波粒二象性卻從未停止“製造麻煩”，直到現在也還在挑戰着人們對它的認知。

其中，約翰·惠勒（John Archibald Wheeler）提出的“延遲選擇”思想實驗就曾令科學家們叫苦不迭。這個思想實驗的示意圖如下。惠勒提出，現發射一個光子，使其通過半反半透鏡BS1。半反半透鏡有50%的概率將光子透射，也有50%的概率讓光子反射。光子經過透射或反射後，分別抵達M1、M2處，然後被M1、M2處放置的全反射鏡反射，最終抵達D1或D2處。而在D1、D2放置有觀測裝置，通過觀測光子最終是抵達了D1還是D2，科學家就能夠進而判斷光子行動路徑。在這個過程中光表現出了粒子性。

惠勒延遲選擇實驗示意圖

但現在對實驗稍作一點改動。在之前的裝置基礎之上，在I2處也放置一個半反半透鏡BS2。這樣，光子在通過I2處時會與自身發生干涉。如果通過BS2適當調節光程差，則能夠使到達D1處的光反相位疊加、使到達D2處的光同相位疊加，從而觀測到D1無光、D2有光的現象。此時，光同時通過了兩條路徑，表現出了波動性。

這個實驗乍看之下，只是楊氏雙縫干涉實驗的升級版。但有一點值得注意的是，光表現出波動性還是表現出粒子性，完全取決於觀測者是否放置BS2這塊半反半透鏡。由於BS2可以在光子通過BS1之後再選擇是否放置（所謂的“延遲選擇”），那麼“光子通過的路徑”這個已經發生的事實，就完全依賴於觀測者的操作而改變，也就是説，觀測者的選擇決定了過去。

並且，因為實驗結果與實驗中光子通過的距離沒有關係，所以從理論上講，光子通過的距離越遠，觀測者就能決定發生時間越久遠的事實。正因如此，從宏觀角度來理解延遲選擇實驗，將會導致非常嚴重的因果律危機。馬小松教授説：“這個思想實驗是量子力學中最引人入勝的效應之一，它一針見血地指出了經典物理和量子物理在時空概念上的差異性。”

延遲選擇實驗的量子版本

近年來，惠勒延遲選擇實驗及其各種變體實驗已經被付諸實踐。而馬小松教授團隊所做的工作是最新近的成果。馬小松教授表示：“由於光學技術的快速發展，這些思想實驗都得以一一實現，而且現在我們還能夠據此設計出更多新更新的實驗。”

在馬小松教授團隊的實驗中，“延遲選擇”思想實驗被設計為一個量子版本。在實驗設計中，單個光子的粒子態和波動態處於相干疊加態。實現這一“波－粒疊加狀態”的關鍵是通過其它光子的量子態來控制一個光子在粒子態和波動態之間的轉換。

但是，這種“量子控制選擇”的方式，必須使控制單元與主實驗區距離足夠遠，才能保證其彼此之間沒有相干性。學界將這一要求稱為“愛因斯坦定域條件”。因此，研究人員將相聯的設備安放在相距141米的兩個實驗室裏，保證滿足該條件。這也是目前在愛因斯坦定域條件下實現的第一個量子延遲選擇實驗。論文第一作者王凱博士表示：“通過審慎地規劃設備位置和校時，我們實現了相關事件在相對論意義上的隔離。”

實驗成果確鑿無疑地證明了：光既能以粒子態或者波動態存在，也能以二者的量子疊加態存在。而且，這一量子疊加的性質是可控的。該成果對量子光學具有根本性的意義，同時也為在未來的量子技術中實現非局域控制量子系統鋪平了道路。

本次工作由來自南京大學固體微結構物理國家重點實驗室和人工微結構科學與技術協同創新中心的研究者協作完成，成果在《自然-光子學(Nature Photonics)》上發表。

學者介紹

馬小松，南京大學物理學院教授，博士生導師。2014年入選中組部青年千人計劃。2010年畢業於奧地利維也納大學物理系，獲得博士學位。 其後在維也納大學進行博士後研究工作，致力於長距離量子通信實驗，代表工作包含143公里量子隱形態傳送和延遲量子糾纏交換等。2012年入選“歐盟瑪麗居里學者”人才支持計劃，前往美國耶魯大學進行集成量子光學芯片方向的研究。具體研究方向包括多光子量子態的產生、存貯，調控和探測等。