南京大學馬小松團隊實現光的波粒二象性的可控疊加

　　光究竟是波還是粒子，還是二者的疊加？這個問題對于有點量子力學基礎的人并不難回答，但難以回答的是人們能否對這種疊加性質進行操控？

　　2019年9月2日，南京大學物理學院馬小松教授團隊在自然雜志子刊《自然-光子學》上報道了他們的最新研究結果，該團隊首次演示了單光子波動性和粒子性的非局域可控疊加。

　　在人類科學發展進程中，對光究竟是粒子還是波的爭論經歷了幾個世紀，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于光的本質的討論。很長時間光一直被認為是由一顆顆粒子組成的，直到19世紀初，托馬斯·楊在雙縫干涉實驗中發現了光的干涉現象，展示了光的波動性質，為光是“波”提供了證據。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。用通俗的話說即：光既是粒子、也是波，或者說光具有波粒二象性，處于波與粒子的疊加態。

　　那么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惠勒提出的延遲選擇實驗。根據延遲選擇實驗顯示，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后再做選擇，選擇依然是有效的。“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”，馬小松教授說。該研究團隊在惠勒的延遲選擇實驗基礎上提出并展示了一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。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,也就是要滿足物理學家所說的所謂‘愛因斯坦局域性’條件。南大團隊此次是在嚴格的愛因斯坦局域性條件下實現的量子延遲選擇實驗, 彌補了惠勒的延遲選擇實驗的漏洞。“要實現愛因斯坦局域性條件我們需要在空間上與時間上都能精確控制實驗儀器。我們的光學儀器分布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”，王凱（本文第一作者）說。該實驗不但證明了光可以同時處于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。

圖釋: 在光的波動性與粒子性可控量子疊加的實驗中，一對糾纏光子（藍色球）遠程調控實驗主體光子（紅色球）的波動性與粒子性。光的波動性與粒子性的可控量子疊加特性由下方背景中的干涉圖體現。

　　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。

　　文章鏈接:

　　Quantum wave–particle superposition in a delayed-choice experiment

　　Kai Wang, Qian Xu, Shining Zhu, Xiao-song Ma

　　URL: https://www.nature.com/articles/s41566-019-0509-0