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近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士領(lǐng)導的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室李傳鋒研究組首次實(shí)現了量子惠勒延遲選擇實(shí)驗，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(zhù)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(guān)察》欄目以《波-粒疊加》為題撰文評述了這一研究成果�！蹲匀�-物理》雜志也以《選擇的問(wèn)題》為題在《研究高亮》欄目報道了該成果。 光是什么？這是個(gè)古老的科學(xué)問(wèn)題。三個(gè)世紀以來(lái)粒子和波的概念就一直是對立的，比如牛頓最初的粒子說(shuō)和胡克及惠更斯的波動(dòng)說(shuō)�，F在我們對光的理解可以歸結為玻爾的互補原理，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，一個(gè)實(shí)驗中具體展示哪種屬性取決于實(shí)驗裝置。比如在由兩塊分束器構成的馬赫-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，則構成干涉儀，有干涉條紋，觀(guān)測到波動(dòng)性，反之如果我們選擇不加第二個(gè)分束器，則不能構成干涉儀，沒(méi)有干涉條紋，觀(guān)測到的是粒子性。馬赫-曾德干涉實(shí)驗是可以用量子力學(xué)解釋的。 然而存在一種隱變量理論認為，光子是有自由意志的，在進(jìn)入干涉儀之前光子就察覺(jué)到有沒(méi)有第二個(gè)分束器，然后光子根據它察覺(jué)到的信息決定自己經(jīng)過(guò)第一個(gè)分束器的方式，從而展現粒子性或波動(dòng)性。為了檢驗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(zhù)名的延遲選擇實(shí)驗，即實(shí)驗者延遲到光子已經(jīng)完全經(jīng)過(guò)第一個(gè)分束器之后再選擇加不加第二個(gè)分束器。 在經(jīng)典的惠勒延遲選擇實(shí)驗中，探測光的波動(dòng)性和粒子性的實(shí)驗裝置，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)展現出來(lái)。李傳鋒研究組設計出了量子實(shí)驗裝置，巧妙地利用偏振比特的輔助來(lái)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)現了量子的惠勒延遲選擇實(shí)驗，排除了光子有自由意志的假設，并首次觀(guān)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)驗結果顯示，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(méi)有干涉條紋，也不象普通的波動(dòng)態(tài)那樣表現出標準的正弦形干涉條紋，而是展現出鋸齒形條紋這樣一種“非波非粒，亦波亦�！钡谋憩F形式。 《波-粒疊加》一文高度評價(jià)這項工作：“量子惠勒延遲選擇實(shí)驗的實(shí)現挑戰互補原理設定的傳統界限，在一個(gè)實(shí)驗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”�！哆x擇的問(wèn)題》一文則評價(jià)該成果“重新定義了波粒二象性的概念”。 量子實(shí)驗裝置的引入，使得人們可以從一個(gè)全新的視角來(lái)觀(guān)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(guān)察不到的物理現象。此項研究工作拓展和加深了人們對玻爾互補原理的理解，揭示了互補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(wèn)題有了更進(jìn)一步的理解。 該項研究受到科技部和國家自然科學(xué)基金委的資助。 
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