中国科学家实现光的波粒二象性可控量子叠加

照片来源:自然-光子学

光可以表示为粒子或波。南京大学的研究人员创造了两个互补态的可控量子叠加。该研究拓展了量子光学的实验能力，有助于未来量子技术的发展。相关论文于9月2日在《自然-光子学》在线发表。

光是由粒子组成还是以波的形式在介质中传播一直是科学史上争论的话题之一。在20世纪，人们意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是表现为粒子还是波。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。

近年来，惠勒的意识形态实验及其变体在实践中得到了应用。由于光学技术的迅速发展，不仅可以实现这种思想实验，而且可以设计新的实验通信作者、南京大学教授马说。

来自固体微结构物理国家重点实验室、物理研究所和南京大学微结构科学与技术合作创新中心的研究人员在他们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力学处于相干叠加态。实现波-粒子叠加态的关键是通过其他光子的量子态来控制粒子态和波动力学之间的光子转换。然而，这种“量子控制选择”方法必须使控制单元和主实验区之间的距离足够远，以确保它们之间没有相干性。学术界称这一要求为“爱因斯坦的定位条件”。

因此，在一项涉及相距141米的两个实验室的光学设备实验中，研究人员最终证明了光不仅可以处于波态或粒子态，而且可以处于这两种状态的量子叠加态。此外，他们还证明了这种量子波-粒子叠加的性质是可以调整的。

该实验是首次严格在爱因斯坦局域化条件下的量子延迟选择实验，为量子技术新实验能力的最终发展开辟了新的途径。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41566-019-0509-0