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中國科學家實現光的波粒二象性可控量子疊加

【本報綜合報導】光既可以表現為粒子,也可以表現為波。南京大學研究人員創造了這兩種互補態的可控量子疊加。該研究擴展了量子光學的實驗能力,並助力未來量子技術發展。相關論文9月2日線上發表於《自然—光子學》。
光是由粒子組成的,還是以波的形式在介質中傳播,在科學史上一直是辯論主題之一。20世紀,人們認識到光可以是粒子和波,但不能同時存在。然而,光的本質一直在挑戰人們的理解和直覺。
物理學家約翰·惠勒提出了“延遲選擇”思想實驗。在這個實驗中,外部觀察者可以選擇單個光子表現為粒子還是波。有趣的是,粒子和波態之間的選擇可以推遲到光子進入實驗裝置之後。
近年來,惠勒的思想實驗及其變體在實踐中得到了應用。“由於光學技術的快速發展,不僅可以實現這樣的思想實驗,而且可以設計新的實驗。”該論文通訊作者、南京大學教授馬小松說。
南京大學固體微結構物理國家重點實驗室、物理學院和微結構科學與技術協同創新中心的研究人員在早期工作的基礎上,開發了延遲選擇實驗的量子版本,即單個光子的粒子態和波動態處於相干疊加態。實現波—粒疊加狀態的關鍵是通過其他光子的量子態控制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”。
於是,研究人員在一項涉及兩個相距141米的實驗室的光學設備實驗中,最終證明光不僅可以處於波態或粒子態,還可以處於這兩種狀態的量子疊加態。此外,他們還證明,這種量子波粒疊加的性質是可以調整的。
該實驗是第一個嚴格在愛因斯坦定域條件下的量子延遲選擇實驗,為最終開發量子技術的新實驗能力開闢了新道路。


责任编辑:黄晨