今日Nature：南大科学家实现光子波态与粒子态的可控量子叠加_风闻

来源：转载自知社学术圈 2019-9-3

按光的波粒二象性，光既可以表现为波也可以表现为粒子。而近期，南京大学马小松教授的团队实现了对这两种互补状态的可控量子叠加，证明实验中的光处于一种”波－粒叠加状态“。这是科学家首次在严格的爱因斯坦定域性条件下实现量子版本延迟选择实验。相关论文成果本周发表在《自然-光子学》杂志上。

因果律的梦魇：延迟选择实验

光的本质究竟是波还是粒子，这一点在科学史上有过长时间的争论。杨氏双缝干涉实验确凿无疑地证明了光的波动性，而爱因斯坦对光电效应的解释则说明了光的粒子性。在这些看似矛盾的实验现象的驱使下，量子物理最终发展出了波粒二象性的理论框架。当时科学家们主张，光既可以是波也可以是粒子，但不会同时是波和粒子。但光的波粒二象性却从未停止“制造麻烦”，直到现在也还在挑战着人们对它的认知。

其中，约翰·惠勒（John Archibald Wheeler）提出的“延迟选择”思想实验就曾令科学家们叫苦不迭。这个思想实验的示意图如下。惠勒提出，现发射一个光子，使其通过半反半透镜BS1。半反半透镜有50%的概率将光子透射，也有50%的概率让光子反射。光子经过透射或反射后，分别抵达M1、M2处，然后被M1、M2处放置的全反射镜反射，最终抵达D1或D2处。而在D1、D2放置有观测装置，通过观测光子最终是抵达了D1还是D2，科学家就能够进而判断光子行动路径。在这个过程中光表现出了粒子性。

惠勒延迟选择实验示意图

但现在对实验稍作一点改动。在之前的装置基础之上，在I2处也放置一个半反半透镜BS2。这样，光子在通过I2处时会与自身发生干涉。如果通过BS2适当调节光程差，则能够使到达D1处的光反相位叠加、使到达D2处的光同相位叠加，从而观测到D1无光、D2有光的现象。此时，光同时通过了两条路径，表现出了波动性。

这个实验乍看之下，只是杨氏双缝干涉实验的升级版。但有一点值得注意的是，光表现出波动性还是表现出粒子性，完全取决于观测者是否放置BS2这块半反半透镜。由于BS2可以在光子通过BS1之后再选择是否放置（所谓的“延迟选择”），那么“光子通过的路径”这个已经发生的事实，就完全依赖于观测者的操作而改变，也就是说，观测者的选择决定了过去。

并且，因为实验结果与实验中光子通过的距离没有关系，所以从理论上讲，光子通过的距离越远，观测者就能决定发生时间越久远的事实。正因如此，从宏观角度来理解延迟选择实验，将会导致非常严重的因果律危机。马小松教授说：“这个思想实验是量子力学中最引人入胜的效应之一，它一针见血地指出了经典物理和量子物理在时空概念上的差异性。”

延迟选择实验的量子版本

近年来，惠勒延迟选择实验及其各种变体实验已经被付诸实践。而马小松教授团队所做的工作是最新近的成果。马小松教授表示：“由于光学技术的快速发展，这些思想实验都得以一一实现，而且现在我们还能够据此设计出更多新更新的实验。”

在马小松教授团队的实验中，“延迟选择”思想实验被设计为一个量子版本。在实验设计中，单个光子的粒子态和波动态处于相干叠加态。实现这一“波－粒叠加状态”的关键是通过其它光子的量子态来控制一个光子在粒子态和波动态之间的转换。

但是，这种“量子控制选择”的方式，必须使控制单元与主实验区距离足够远，才能保证其彼此之间没有相干性。学界将这一要求称为“爱因斯坦定域条件”。因此，研究人员将相联的设备安放在相距141米的两个实验室里，保证满足该条件。这也是目前在爱因斯坦定域条件下实现的第一个量子延迟选择实验。论文第一作者王凯博士表示：“通过审慎地规划设备位置和校时，我们实现了相关事件在相对论意义上的隔离。”

实验成果确凿无疑地证明了：光既能以粒子态或者波动态存在，也能以二者的量子叠加态存在。而且，这一量子叠加的性质是可控的。该成果对量子光学具有根本性的意义，同时也为在未来的量子技术中实现非局域控制量子系统铺平了道路。

本次工作由来自南京大学固体微结构物理国家重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心的研究者协作完成，成果在《自然-光子学(Nature Photonics)》上发表。

学者介绍

马小松，南京大学物理学院教授，博士生导师。2014年入选中组部青年千人计划。2010年毕业于奥地利维也纳大学物理系，获得博士学位。 其后在维也纳大学进行博士后研究工作，致力于长距离量子通信实验，代表工作包含143公里量子隐形态传送和延迟量子纠缠交换等。2012年入选“欧盟玛丽居里学者”人才支持计划，前往美国耶鲁大学进行集成量子光学芯片方向的研究。具体研究方向包括多光子量子态的产生、存贮，调控和探测等。