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www.mgm4858.com“烟雾缠绕的巨龙”:量子力学与延迟选择实验

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来源:新华社

南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心的马小松教授课题组与德国马克斯普朗克量子光学研究所和奥地利维也纳大学团队合作,第一次总结了近100年来量子延迟选择实验的发展历程。综述的内容涵盖从爱因斯坦开始的理论萌芽,到最新的实验进展与成果。这项研究目前已经在物理学界最权威的综述型期刊《现代物理评论》(Reviews
of Modern
Physics)最新一期上发表。这也是继1985年陈金全先生团队,南京大学的物理学者第二次以第一作者在此期刊上发表文章。

9月3日消息,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。

新华社南京9月3日电我们都知道光具有波粒二象性,但能否实现对这种量子叠加状态的操控?记者3日从南京大学获悉,该校物理学院马小松教授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。相关成果2日发表在《自然-光子学》上。

从十七世纪开始,科学的发展和对光的本质的研究就紧密地联系在一起。牛顿(Isaac
Newton)曾断言光是由粒子组成的;和他同时代的著名科学家惠更斯(Christiaan
Huygens)持不同观点——他认为光的本质是波动。现代的量子物理学家认为,两者的观点都是正确的。光既可以被视为粒子,也可以被视为波。光的这两种不同特征会在物理实验中不同程度地表现出来,它取决于光的哪一种性质在实验中被测量。这种“波粒二象性“是量子力学最基础的原则之一。它挑战着人类的常识认知:一种物质是否可以同时具有两种相互冲突的性质?

因果律的梦魇:延迟选择实验

www.mgm4858.com,在人类科学史上,欧几里得、笛卡尔、牛顿等著名科学家都曾研究过光的本质是粒子还是波。19世纪,托马斯·杨在双缝干涉实验中发现了光的干涉现象,显示了光的波动性。到了20世纪,人们在发展量子物理的时候明确,光具有波粒二象性,它既是粒子也是波,处于波与粒子的叠加态。

二十世纪七十年代,美国的物理学家惠勒(John Archibald
Wheeler)将这种量子力学中的最本质的不确定性比作“烟雾缠绕的巨龙”(Great
smoky
dragon):人们可以看到巨龙的尾巴,它是粒子产生的源头;也可以看到巨龙的头,它是实验测量的结果。但是巨龙的身体却是被烟雾缠绕着的,并且人们永远无法驱散这些烟雾:实验测量的方式决定实验所研究的现象。为了具象地展示这种物理概念,惠勒提出了著名的延迟选择思想实验。在这个思想实验中,对粒子性和波动性的界定被延迟到了测量阶段。因此,光子在实验中既能表现粒子性,又能表现出波动性。事实上,取决于测量的时间和方式,光也可以同时以这两种形态存在。

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。

是否可以找到一种控制手段,让单个光子按照我们的需要,仅表现为粒子,或者仅表现为波?著名物理学家惠勒提出的延迟选择实验,就是外部观测者通过操控光学元件,决定单个光子表现出波动性或粒子性,如果在光子进入实验装置后再“延迟”选择,会发现这个选择“改变”了光子的性质。

在过去的几十年间,量子物理学家们一直试图在实验上实现惠勒的理想实验,从而使波粒二象性有确实的实验依据。南京大学的马小松教授,普朗克量子光学研究所的Johannes
Kofler,以及量子光学与量子信息研究所、维也纳大学量子科学与技术中心的Anton
Zeilinger通过研究,总结了延迟选择实验的发展历程,并展现了物理学家在验证延迟选择实验这一领域已经取得的巨大成功。

其中,约翰·惠勒提出的“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。

www.mgm4858.com“烟雾缠绕的巨龙”:量子力学与延迟选择实验。“这个实验深刻阐述了经典物理与量子物理不同的时空观,不能用经典物理的概念去理解量子物理的现象。”马小松教授介绍,团队在惠勒延迟选择实验的基础上,实现了一个新的非局域量子延迟选择实验。在该实验中,团队使用另外一对纠缠光子作为控制单元,利用它们之间的纠缠调控实验主体光子的性质。

尽管波粒二象性起源于爱因斯坦在1905年对光电效应的光子理论解释,直到最近,一系列延迟选择实验才在实验中实现。这篇综述的第一作者,南京大学的马小松说到:“随着实验技术的飞速发展,快速精确的单粒子量子态测量得以实现,这使得许多在量子物理发展过程中被激烈讨论过的理想实验最终得以实现。”

惠勒延迟选择实验示意图

www.mgm4858.com“烟雾缠绕的巨龙”:量子力学与延迟选择实验。为了实现严格的非局域量子控制,控制单元须远离实验主体单元,满足“爱因斯坦局域性”条件。“我们此次严格依照‘爱因斯坦局域性’条件实现了量子延迟选择实验,
弥补了惠勒延迟选择实验的漏洞。”论文第一作者、南京大学博士生王凯说,“要实现这个条件,我们要在空间上与时间上都能精确控制实验仪器。实验光学仪器分布在校园内的两个实验室中,光信号与电信号的时序经过了精确设置。”

www.mgm4858.com“烟雾缠绕的巨龙”:量子力学与延迟选择实验。维也纳大学的Anton
Zeilinger说到:“这类实验挑战着我们对于量子世界的认知,在量子通信中和量子计算中有着广泛的应用前景。”延迟选择实验和量子纠缠密切相关,在解决量子通信中的安全性问题中有着至关重要的影响。另一方面,延迟选择可以在特定情形下提升量子计算机的运算速率。这篇综述的作者们期望延迟选择实验一方面继续对量子物理基础的发展提供新的视角,另一方面也能够推动量子信息处理的发展及应用。

www.mgm4858.com“烟雾缠绕的巨龙”:量子力学与延迟选择实验。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。

马小松表示,实验不但证明了光可以同时处于波动性或粒子性的量子叠加,而且还证明了这种“波-粒”量子叠加态是可调控的,为量子光学以及量子信息处理提供了新方法。

该项研究得到了青年千人计划、欧盟居里夫人基金等资助。

www.mgm4858.com“烟雾缠绕的巨龙”:量子力学与延迟选择实验。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,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。

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www.mgm4858.com“烟雾缠绕的巨龙”:量子力学与延迟选择实验。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。”

Delayed-choice gedanken experiments and their realizations. Xiao-song
Ma, Johannes Kofler, Anton Zeilinger. Rev. Mod. Phys. 88, 015005

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。”

马小松课题组主页:

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。

(物理学院 科学技术处)

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。

点击-019-0509-0阅读论文。

文章来源:知社学术圈

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