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據(jù)中新網(wǎng)9月3日?qǐng)?bào)道，光究竟是波還是粒子，還是二者的疊加？這個(gè)問題對(duì)于有點(diǎn)量子力學(xué)基礎(chǔ)的人并不難回答，但難以回答的是人們能否對(duì)這種疊加性質(zhì)進(jìn)行操控？3日，記者從南京大學(xué)獲悉，該校物理學(xué)院馬小松教授團(tuán)隊(duì)日前成功演示了單光子波動(dòng)性和粒子性的非局域可控疊加，該項(xiàng)成果于當(dāng)?shù)貢r(shí)間9月2日被自然雜志子刊《自然-光子學(xué)》報(bào)道。

南京大學(xué)馬小松教授團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)成果于當(dāng)?shù)貢r(shí)間9月2日被自然雜志子刊《自然-光子學(xué)》報(bào)道。　《自然-光子學(xué)》子刊網(wǎng)頁截圖

延遲選擇實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)量子波粒疊加的藝術(shù)圖?！　蹲匀弧庾訉W(xué)》 攝

在人類科學(xué)發(fā)展進(jìn)程中，對(duì)光究竟是粒子還是波的爭(zhēng)論曾經(jīng)經(jīng)歷了幾個(gè)世紀(jì)，包括歐幾里得、笛卡爾、牛頓等在內(nèi)的偉大科學(xué)家們都參與了對(duì)于光的本質(zhì)的討論。直到20世紀(jì)在量子物理的建立過程中，人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)才形成了比較完整的框架，即波粒二象性。用通俗的話說即：光既是粒子、也是波，或者說光具有波粒二象性，處于波與粒子的疊加態(tài)。

那么是否可以找到某些控制手段，讓單個(gè)光子按照需要，僅表現(xiàn)為粒子、或者僅表現(xiàn)為波？為此人們?cè)O(shè)計(jì)了許多思想實(shí)驗(yàn)，一個(gè)著名的例子就是由物理學(xué)家約翰 惠勒提出的延遲選擇實(shí)驗(yàn)。根據(jù)該延遲選擇實(shí)驗(yàn)顯示，一個(gè)外部的觀測(cè)者可以通過對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置中一個(gè)光學(xué)元件的操控來主動(dòng)選擇單個(gè)光子表現(xiàn)出波動(dòng)性還是粒子性，甚至在光子進(jìn)入實(shí)驗(yàn)裝置之后再做選擇，選擇依然是有效的。

南京大學(xué)馬小松科研團(tuán)隊(duì)。　申冉 攝

“這個(gè)實(shí)驗(yàn)深刻闡述了經(jīng)典物理與量子物理中不同的時(shí)空概念，也因此成為量子物理中最吸引人的實(shí)驗(yàn)之一。”馬小松教授說。

馬小松研究團(tuán)隊(duì)在惠勒的延遲選擇實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出并展示了這個(gè)新的非局域量子延遲選擇實(shí)驗(yàn)。在該實(shí)驗(yàn)中，使用了另外一對(duì)糾纏光子作為控制單元，利用糾纏光子對(duì)去調(diào)控在波動(dòng)性與粒子性之間切換的實(shí)驗(yàn)主體光子。

王凱(nature發(fā)布文章第一作者)介紹，為了實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的非局域量子控制，控制單元遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)主體單元，就是要滿足物理學(xué)家所說的所謂“愛因斯坦局域性”條件，“為了實(shí)現(xiàn)這一先決條件，我們把光學(xué)儀器分布在校園內(nèi)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室中，光信號(hào)與電信號(hào)的時(shí)序經(jīng)過了精確的設(shè)置”。

該實(shí)驗(yàn)的成功不但證明了光可以同時(shí)處于波動(dòng)性或粒子性的量子疊加，而且還證明了這種波-粒的量子疊加態(tài)是可調(diào)控的，這為量子光學(xué)和量子信息處理的發(fā)展提供了新方法。

該成果發(fā)表在光學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)刊物《自然-光子學(xué)》上，16級(jí)博士生王凱為文章第一作者，19屆本科畢業(yè)生徐乾為第二作者，馬小松教授為論文的通訊作者，祝世寧院士參與了分析與討論。該項(xiàng)研究得到南京大學(xué)卓越計(jì)劃和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目的資助。此項(xiàng)研究工作也得到南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院和人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心支持。