南京大學科研團隊實現光的波粒二象性可控疊加

據中新網9月3日報道，光究竟是波還是粒子，還是二者的疊加？這個問題對於有點量子力學基礎的人並不難回答，但難以回答的是人們能否對這種疊加性質進行操控？3日，記者從南京大學獲悉，該校物理學院馬小松教授團隊日前成功演示了單光子波動性和粒子性的非局域可控疊加，該項成果於當地時間9月2日被自然雜誌子刊《自然-光子學》報道。

南京大學馬小松教授團隊實驗成果於當地時間9月2日被自然雜誌子刊《自然-光子學》報道。　《自然-光子學》子刊網頁截圖

延遲選擇實驗中實現量子波粒疊加的藝術圖。　《自然—光子學》 攝

在人類科學發展進程中，對光究竟是粒子還是波的爭論曾經經歷了幾個世紀，包括歐幾里得、笛卡爾、牛頓等在內的偉大科學家們都參與了對於光的本質的討論。直到20世紀在量子物理的建立過程中，人們對光的認識才形成了比較完整的框架，即波粒二象性。用通俗的話説即：光既是粒子、也是波，或者説光具有波粒二象性，處於波與粒子的疊加態。

那麼是否可以找到某些控制手段，讓單個光子按照需要，僅表現為粒子、或者僅表現為波？為此人們設計了許多思想實驗，一個著名的例子就是由物理學家約翰 惠勒提出的延遲選擇實驗。根據該延遲選擇實驗顯示，一個外部的觀測者可以通過對實驗裝置中一個光學元件的操控來主動選擇單個光子表現出波動性還是粒子性，甚至在光子進入實驗裝置之後再做選擇，選擇依然是有效的。

南京大學馬小松科研團隊。　申冉 攝

“這個實驗深刻闡述了經典物理與量子物理中不同的時空概念，也因此成為量子物理中最吸引人的實驗之一。”馬小松教授説。

馬小松研究團隊在惠勒的延遲選擇實驗基礎上提出並展示了這個新的非局域量子延遲選擇實驗。在該實驗中，使用了另外一對糾纏光子作為控制單元，利用糾纏光子對去調控在波動性與粒子性之間切換的實驗主體光子。

王凱(nature發佈文章第一作者)介紹，為了實現嚴格的非局域量子控制，控制單元遠離實驗主體單元，就是要滿足物理學家所説的所謂“愛因斯坦局域性”條件，“為了實現這一先決條件，我們把光學儀器分佈在校園內的兩個實驗室中，光信號與電信號的時序經過了精確的設置”。

該實驗的成功不但證明了光可以同時處於波動性或粒子性的量子疊加，而且還證明了這種波-粒的量子疊加態是可調控的，這為量子光學和量子信息處理的發展提供了新方法。

該成果發表在光學領域頂級刊物《自然-光子學》上，16級博士生王凱為文章第一作者，19屆本科畢業生徐乾為第二作者，馬小松教授為論文的通訊作者，祝世寧院士參與了分析與討論。該項研究得到南京大學卓越計劃和國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費專項基金項目的資助。此項研究工作也得到南京大學固體微結構國家重點實驗室、物理學院和人工微結構科學與技術協同創新中心支持。