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近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點實驗室李傳鋒研究組首次實現(xiàn)了量子惠勒延遲選擇實驗，制備出了粒子和波的疊加狀態(tài)，極大地豐富了人們對玻爾互補原理的理解。研究成果作為封面文章發(fā)表在9月份的《自然-光子學(xué)》上，英國著名量子物理學(xué)家Adesso教授和Girolami教授在同期雜志的《新聞與觀察》欄目以《波-粒疊加》為題撰文評述了這一研究成果。《自然-物理》雜志也以《選擇的問題》為題在《研究高亮》欄目報道了該成果。 光是什么？這是個古老的科學(xué)問題。三個世紀以來粒子和波的概念就一直是對立的，比如牛頓最初的粒子說和胡克及惠更斯的波動說。現(xiàn)在我們對光的理解可以歸結(jié)為玻爾的互補原理，即光具有波粒二象性，波動性和粒子性這兩種屬性即對立又互補，一個實驗中具體展示哪種屬性取決于實驗裝置。比如在由兩塊分束器構(gòu)成的馬赫-曾德干涉儀中，單個光子被第一個分束器分到兩個路徑上，在第二個分束器所在位置重合。如果我們選擇加入第二個分束器，則構(gòu)成干涉儀，有干涉條紋，觀測到波動性，反之如果我們選擇不加第二個分束器，則不能構(gòu)成干涉儀，沒有干涉條紋，觀測到的是粒子性。馬赫-曾德干涉實驗是可以用量子力學(xué)解釋的。 然而存在一種隱變量理論認為，光子是有自由意志的，在進入干涉儀之前光子就察覺到有沒有第二個分束器，然后光子根據(jù)它察覺到的信息決定自己經(jīng)過第一個分束器的方式，從而展現(xiàn)粒子性或波動性。為了檢驗這種隱變量理論和量子力學(xué)孰是孰非，玻爾的學(xué)生惠勒于1978年提出了著名的延遲選擇實驗，即實驗者延遲到光子已經(jīng)完全經(jīng)過第一個分束器之后再選擇加不加第二個分束器。 在經(jīng)典的惠勒延遲選擇實驗中，探測光的波動性和粒子性的實驗裝置，即加與不加第二個分束器，是相互排斥的，因此光的波動性和粒子性不能夠同時展現(xiàn)出來。李傳鋒研究組設(shè)計出了量子實驗裝置，巧妙地利用偏振比特的輔助來控制測量裝置，使得測量裝置處于探測波動性與探測粒子性的兩種對立狀態(tài)的量子疊加態(tài)上。他們利用自組織量子點產(chǎn)生的確定性單光子源作為輸入，實現(xiàn)了量子的惠勒延遲選擇實驗，排除了光子有自由意志的假設(shè)，并首次觀測到了光的波動態(tài)與粒子態(tài)的量子疊加狀態(tài)。實驗結(jié)果顯示，處于波粒疊加態(tài)上的光子，既不象普通的粒子態(tài)那樣沒有干涉條紋，也不象普通的波動態(tài)那樣表現(xiàn)出標準的正弦形干涉條紋，而是展現(xiàn)出鋸齒形條紋這樣一種“非波非粒，亦波亦粒”的表現(xiàn)形式。 《波-粒疊加》一文高度評價這項工作：“量子惠勒延遲選擇實驗的實現(xiàn)挑戰(zhàn)互補原理設(shè)定的傳統(tǒng)界限，在一個實驗裝置中展示光子可以在波動和粒子兩種行為之間相干地振蕩”。《選擇的問題》一文則評價該成果“重新定義了波粒二象性的概念”。 量子實驗裝置的引入，使得人們可以從一個全新的視角來觀察世界，就好像給我們安上了一雙“量子的眼睛”，能夠看到經(jīng)典探測裝置觀察不到的物理現(xiàn)象。此項研究工作拓展和加深了人們對玻爾互補原理的理解，揭示了互補原理和疊加原理間的深層次關(guān)系，也使得人們對“光是什么”這個縈繞千年的問題有了更進一步的理解。 該項研究受到科技部和國家自然科學(xué)基金委的資助。 
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