南京大学科研团队实现光的波粒二象性可控叠加

南京大学马小松教授团队实验成果于当地时间9月2日被自然杂志子刊《自然-光子学》报道。 《自然-光子学》子刊网页截图

中新网南京9月3日电 (记者 申冉 通讯员 齐琦)光究竟是波还是粒子,还是二者的叠加?这个问题对于有点量子力学基础的人并不难回答,但难以回答的是人们能否对这种叠加性质进行操控?3日,记者从南京大学获悉,该校物理学院马小松教授团队日前成功演示了单光子波动性和粒子性的非局域可控叠加,该项成果于当地时间9月2日被自然杂志子刊《自然-光子学》报道。

延迟选择实验中实现量子波粒叠加的艺术图。 《自然—光子学》 摄

在人类科学发展进程中,对光究竟是粒子还是波的争论曾经经历了几个世纪,包括欧几里得、笛卡尔、牛顿等在内的伟大科学家们都参与了对于光的本质的讨论。直到20世纪在量子物理的建立过程中,人们对光的认识才形成了比较完整的框架,即波粒二象性。用通俗的话说即:光既是粒子、也是波,或者说光具有波粒二象性,处于波与粒子的叠加态。

那么是否可以找到某些控制手段,让单个光子按照需要,仅表现为粒子、或者仅表现为波?为此人们设计了许多思想实验,一个著名的例子就是由物理学家约翰 惠勒提出的延迟选择实验。根据该延迟选择实验显示,一个外部的观测者可以通过对实验装置中一个光学元件的操控来主动选择单个光子表现出波动性还是粒子性,甚至在光子进入实验装置之后再做选择,选择依然是有效的。

南京大学马小松科研团队。 申冉 摄

“这个实验深刻阐述了经典物理与量子物理中不同的时空概念,也因此成为量子物理中最吸引人的实验之一。”马小松教授说。

马小松研究团队在惠勒的延迟选择实验基础上提出并展示了这个新的非局域量子延迟选择实验。在该实验中,使用了另外一对纠缠光子作为控制单元,利用纠缠光子对去调控在波动性与粒子性之间切换的实验主体光子。

王凯(nature发布文章第一作者)介绍,为了实现严格的非局域量子控制,控制单元远离实验主体单元,就是要满足物理学家所说的所谓“爱因斯坦局域性”条件,“为了实现这一先决条件,我们把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的设置”。

该实验的成功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-粒的量子叠加态是可调控的,这为量子光学和量子信息处理的发展提供了新方法。

该成果发表在光学领域顶级刊物《自然-光子学》上,16级博士生王凯为文章第一作者,19届本科毕业生徐乾为第二作者,马小松教授为论文的通讯作者,祝世宁院士参与了分析与讨论。该项研究得到南京大学卓越计划和国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项基金项目的资助。此项研究工作也得到南京大学固体微结构国家重点实验室、物理学院和人工微结构科学与技术协同创新中心支持。(完)

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