延遲選擇實驗中實現量子波粒疊加的藝術圖 圖片來源：《自然—光子學》
光既可以表現為粒子，也可以表現為波。南京大學研究人員創(chuàng)造了這兩種互補態(tài)的可控量子疊加。該研究擴展了量子光學的實驗能力，并助力未來量子技術發(fā)展。相關論文9月2日在線發(fā)表于《自然—光子學》。
光是由粒子組成的，還是以波的形式在介質中傳播，在科學史上一直是辯論主題之一。20世紀，人們認識到光可以是粒子和波，但不能同時存在。然而，光的本質一直在挑戰(zhàn)人們的理解和直覺。
物理學家約翰·惠勒提出了“延遲選擇”思想實驗。在這個實驗中，外部觀察者可以選擇單個光子表現為粒子還是波。有趣的是，粒子和波態(tài)之間的選擇可以推遲到光子進入實驗裝置之后。
近年來，惠勒的思想實驗及其變體在實踐中得到了應用。“由于光學技術的快速發(fā)展，不僅可以實現這樣的思想實驗，而且可以設計新的實驗。”該論文通訊作者、南京大學教授馬小松說。
南京大學固體微結構物理國家重點實驗室、物理學院和微結構科學與技術協同創(chuàng)新中心的研究人員在早期工作的基礎上，開發(fā)了延遲選擇實驗的量子版本，即單個光子的粒子態(tài)和波動態(tài)處于相干疊加態(tài)。實現波—粒疊加狀態(tài)的關鍵是通過其他光子的量子態(tài)控制光子在粒子態(tài)和波動態(tài)之間的轉換。但是，這種“量子控制選擇”的方式，必須使控制單元與主實驗區(qū)距離足夠遠，才能保證其彼此之間沒有相干性。學界將這一要求稱為“愛因斯坦定域條件”。
于是，研究人員在一項涉及兩個相距141米的實驗室的光學設備實驗中，最終證明光不僅可以處于波態(tài)或粒子態(tài)，還可以處于這兩種狀態(tài)的量子疊加態(tài)。此外，他們還證明，這種量子波粒疊加的性質是可以調整的。
該實驗是第一個嚴格在愛因斯坦定域條件下的量子延遲選擇實驗，為最終開發(fā)量子技術的新實驗能力開辟了新道路。
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