延遲選擇實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)量子波粒疊加的藝術(shù)圖 圖片來源：《自然—光子學(xué)》
光既可以表現(xiàn)為粒子，也可以表現(xiàn)為波。南京大學(xué)研究人員創(chuàng)造了這兩種互補(bǔ)態(tài)的可控量子疊加。該研究擴(kuò)展了量子光學(xué)的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ⒅ξ磥砹孔蛹夹g(shù)發(fā)展。相關(guān)論文9月2日在線發(fā)表于《自然—光子學(xué)》。
光是由粒子組成的，還是以波的形式在介質(zhì)中傳播，在科學(xué)史上一直是辯論主題之一。20世紀(jì)，人們認(rèn)識到光可以是粒子和波，但不能同時存在。然而，光的本質(zhì)一直在挑戰(zhàn)人們的理解和直覺。
物理學(xué)家約翰·惠勒提出了“延遲選擇”思想實(shí)驗(yàn)。在這個實(shí)驗(yàn)中，外部觀察者可以選擇單個光子表現(xiàn)為粒子還是波。有趣的是，粒子和波態(tài)之間的選擇可以推遲到光子進(jìn)入實(shí)驗(yàn)裝置之后。
近年來，惠勒的思想實(shí)驗(yàn)及其變體在實(shí)踐中得到了應(yīng)用。“由于光學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，不僅可以實(shí)現(xiàn)這樣的思想實(shí)驗(yàn)，而且可以設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)。”該論文通訊作者、南京大學(xué)教授馬小松說。
南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院和微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心的研究人員在早期工作的基礎(chǔ)上，開發(fā)了延遲選擇實(shí)驗(yàn)的量子版本，即單個光子的粒子態(tài)和波動態(tài)處于相干疊加態(tài)。實(shí)現(xiàn)波—粒疊加狀態(tài)的關(guān)鍵是通過其他光子的量子態(tài)控制光子在粒子態(tài)和波動態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。但是，這種“量子控制選擇”的方式，必須使控制單元與主實(shí)驗(yàn)區(qū)距離足夠遠(yuǎn)，才能保證其彼此之間沒有相干性。學(xué)界將這一要求稱為“愛因斯坦定域條件”。
于是，研究人員在一項(xiàng)涉及兩個相距141米的實(shí)驗(yàn)室的光學(xué)設(shè)備實(shí)驗(yàn)中，最終證明光不僅可以處于波態(tài)或粒子態(tài)，還可以處于這兩種狀態(tài)的量子疊加態(tài)。此外，他們還證明，這種量子波粒疊加的性質(zhì)是可以調(diào)整的。
該實(shí)驗(yàn)是第一個嚴(yán)格在愛因斯坦定域條件下的量子延遲選擇實(shí)驗(yàn)，為最終開發(fā)量子技術(shù)的新實(shí)驗(yàn)?zāi)芰﹂_辟了新道路。
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