近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李傳鋒研究組首次實(shí)現(xiàn)了量子惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)，制備出了粒子和波的疊加狀態(tài)，極大地豐富了人們對玻爾互補(bǔ)原理的理解。研究成果作為封面文章發(fā)表在9月份的《自然-光子學(xué)》上，英國著名量子物理學(xué)家Adesso教授和Girolami教授在同期雜志的《新聞與觀察》欄目以《波-粒疊加》為題撰文評述了這一研究成果。 j"9Zaq_  
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《自然-物理》雜志也以《選擇的問題》為題在《研究高亮》欄目報(bào)道了該成果。 4%*`'o$_  
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光是什么？這是個(gè)古老的科學(xué)問題。三個(gè)世紀(jì)以來粒子和波的概念就一直是對立的，比如牛頓最初的粒子說和胡克及惠更斯的波動(dòng)說�，F(xiàn)在我們對光的理解可以歸結(jié)為玻爾的互補(bǔ)原理，即光具有波粒二象性，波動(dòng)性和粒子性這兩種屬性即對立又互補(bǔ)，一個(gè)實(shí)驗(yàn)中具體展示哪種屬性取決于實(shí)驗(yàn)裝置。比如在由兩塊分束器構(gòu)成的馬赫-曾德干涉儀中，單個(gè)光子被第一個(gè)分束器分到兩個(gè)路徑上，在第二個(gè)分束器所在位置重合。如果我們選擇加入第二個(gè)分束器，則構(gòu)成干涉儀，有干涉條紋，觀測到波動(dòng)性，反之如果我們選擇不加第二個(gè)分束器，則不能構(gòu)成干涉儀，沒有干涉條紋，觀測到的是粒子性。馬赫-曾德干涉實(shí)驗(yàn)是可以用量子力學(xué)解釋的。 J5SOPG  
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然而存在一種隱變量理論認(rèn)為，光子是有自由意志的，在進(jìn)入干涉儀之前光子就察覺到有沒有第二個(gè)分束器，然后光子根據(jù)它察覺到的信息決定自己經(jīng)過第一個(gè)分束器的方式，從而展現(xiàn)粒子性或波動(dòng)性。為了檢驗(yàn)這種隱變量理論和量子力學(xué)孰是孰非，玻爾的學(xué)生惠勒于1978年提出了著名的延遲選擇實(shí)驗(yàn)，即實(shí)驗(yàn)者延遲到光子已經(jīng)完全經(jīng)過第一個(gè)分束器之后再選擇加不加第二個(gè)分束器。 ,lQfsntk'  
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在經(jīng)典的惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)中，探測光的波動(dòng)性和粒子性的實(shí)驗(yàn)裝置，即加與不加第二個(gè)分束器，是相互排斥的，因此光的波動(dòng)性和粒子性不能夠同時(shí)展現(xiàn)出來。李傳鋒研究組設(shè)計(jì)出了量子實(shí)驗(yàn)裝置，巧妙地利用偏振比特的輔助來控制測量裝置，使得測量裝置處于探測波動(dòng)性與探測粒子性的兩種對立狀態(tài)的量子疊加態(tài)上。他們利用自組織量子點(diǎn)產(chǎn)生的確定性單光子源作為輸入，實(shí)現(xiàn)了量子的惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)，排除了光子有自由意志的假設(shè)，并首次觀測到了光的波動(dòng)態(tài)與粒子態(tài)的量子疊加狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，處于波粒疊加態(tài)上的光子，既不象普通的粒子態(tài)那樣沒有干涉條紋，也不象普通的波動(dòng)態(tài)那樣表現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的正弦形干涉條紋，而是展現(xiàn)出鋸齒形條紋這樣一種“非波非粒，亦波亦�！钡谋憩F(xiàn)形式。 no9=K4h`  
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《波-粒疊加》一文高度評價(jià)這項(xiàng)工作：“量子惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn)互補(bǔ)原理設(shè)定的傳統(tǒng)界限，在一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中展示光子可以在波動(dòng)和粒子兩種行為之間相干地振蕩”。《選擇的問題》一文則評價(jià)該成果“重新定義了波粒二象性的概念”。 E
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量子實(shí)驗(yàn)裝置的引入，使得人們可以從一個(gè)全新的視角來觀察世界，就好像給我們安上了一雙“量子的眼睛”，能夠看到經(jīng)典探測裝置觀察不到的物理現(xiàn)象。此項(xiàng)研究工作拓展和加深了人們對玻爾互補(bǔ)原理的理解，揭示了互補(bǔ)原理和疊加原理間的深層次關(guān)系，也使得人們對“光是什么”這個(gè)縈繞千年的問題有了更進(jìn)一步的理解。 k(dNHT  
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該項(xiàng)研究受到科技部和國家自然科學(xué)基金委的資助。 ~QU\kZ7Z  
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