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南京大学马小松团队实现光的波粒二象性的可控叠加

时间:2019-09-23 点击量: 128

光既可以表现为粒子,也可以表现为波。2019年9月2日,南京大学物理学院马小松教授团队在自然杂志子刊《自然-光子学》上报道了他们的最新研究结果,该团队首次演示了单光子波动性和粒子性的非局域可控叠加。

背景

光是由粒子组成的,还是以波的形式在介质中传播,在科学史上一直是辩论主题之一。20世纪,人们认识到光可以是粒子和波,但不能同时存在。然而,光的本质一直在挑战人们的理解和直觉。

 

物理学家约翰·惠勒提出了“延迟选择”思想实验。在这个实验中,外部观察者可以选择单个光子表现为粒子还是波。有趣的是,粒子和波态之间的选择可以推迟到光子进入实验装置之后。

 

近年来,惠勒的思想实验及其变体在实践中得到了应用。“由于光学技术的快速发展,不仅可以实现这样的思想实验,而且可以设计新的实验。”该论文通讯作者、南京大学教授马小松说。

 

是否可以找到某些控制手段,让单个光子按照需要仅表现为粒子、或者仅表现为波?为此人们设计了许多思想实验,一个著名的例子就是由惠勒提出的延迟选择实验。根据延迟选择实验显示,一个外部的观测者可以通过对实验装置中一个光学元件的操控来主动选择单个光子表现出波动性还是粒子性,甚至在光子进入实验装置之后再做选择,选择依然是有效的。

 

南京大学固体微结构物理国家重点实验室、物理学院和微结构科学与技术协同创新中心的研究人员在早期工作的基础上,开发了延迟选择实验的量子版本,即单个光子的粒子态和波动态处于相干叠加态。实现波—粒叠加状态的关键是通过其他光子的量子态控制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”。

 

于是,研究人员在一项涉及两个相距141米的实验室的光学设备实验中,最终证明光不仅可以处于波态或粒子态,还可以处于这两种状态的量子叠加态。此外,他们还证明,这种量子波粒叠加的性质是可以调整的。

 

该实验是第一个严格在爱因斯坦定域条件下的量子延迟选择实验,为最终开发量子技术的新实验能力开辟了新道路。

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图释: 在光的波动性与粒子性可控量子叠加的实验中,一对纠缠光子(蓝色球)远程调控实验主体光子(红色球)的波动性与粒子性。光的波动性与粒子性的可控量子叠加特性由下方背景中的干涉图体现。