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)，制備出光的波—粒疊加狀態(tài)，豐富了人們對玻爾互補(bǔ)原理的理解。該成果作為封面文章發(fā)表于9月份的《自然—光子學(xué)》，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。

 

光是什么？現(xiàn)在對光的理解可歸結(jié)為玻爾的互補(bǔ)原理，即光具有波粒二象性，一個實(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，單個光子被第一個分束器分到兩個路徑上，傳播一段距離后重合。如果在重合點(diǎn)加入第二個分束器，則構(gòu)成干涉儀，觀測到波動性；如果不加第二個分束器，觀測到的是粒子性。

 

馬赫—曾德干涉實(shí)驗(yàn)可以用量子力學(xué)解釋。但隱變量理論認(rèn)為，光子有自由意志，在進(jìn)入干涉儀之前它就察覺到有沒有第二個分束器，并根據(jù)觀察結(jié)果決定經(jīng)過第一個分束器的方式，從而展現(xiàn)粒子性或波動性。為了檢驗(yàn)這種隱變量理論和量子力學(xué)誰是誰非，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)者等到光子已經(jīng)完全經(jīng)過第一個分束器之后再選擇加不加第二個分束器。

 

在經(jīng)典的延遲選擇實(shí)驗(yàn)中，加與不加第二個分束器不能同時(shí)進(jìn)行。李傳鋒研究組設(shè)計(jì)出一種量子實(shí)驗(yàn)裝置，能同時(shí)探測光子的波動性與粒子性，從而實(shí)現(xiàn)了量子的惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)排除了光子有自由意志的假設(shè)，并首次觀測到波與粒子的疊加狀態(tài)，處于這種疊加態(tài)的光子，既不像粒子態(tài)那樣沒有干涉條紋，也不像波動態(tài)那樣表現(xiàn)出正弦形干涉條紋，而是呈現(xiàn)出鋸齒形條紋這樣一種“非波非粒，亦波亦粒”的形式。

 

《波—粒疊加》一文評價(jià)說：“該實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)了互補(bǔ)原理設(shè)定的傳統(tǒng)界限。”《自然—物理》雜志也在“研究高亮”欄目報(bào)道該成果，稱它“重新定義了波粒二象性的概念”。