帖子
勛章
關(guān)注
任務(wù)
南京大學(xué)科研團隊實現(xiàn)光子波態(tài)與粒子態(tài)的可控量子疊加  因果律的夢魘：延遲選擇實驗 光的本質(zhì)究竟是波還是粒子，這一點在科學(xué)史上有過長時間的爭論。楊氏雙縫干涉實驗確鑿無疑地證明了光的波動性，而愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋則說明了光的粒子性。在這些看似矛盾的實驗現(xiàn)象的驅(qū)使下，量子物理最終發(fā)展出了波粒二象性的理論框架。當時科學(xué)家們主張，光既可以是波也可以是粒子，但不會同時是波和粒子。但光的波粒二象性卻從未停止“制造麻煩”，直到現(xiàn)在也還在挑戰(zhàn)著人們對它的認知。  其中，約翰·惠勒（John Archibald Wheeler）提出的“延遲選擇”思想實驗就曾令科學(xué)家們叫苦不迭。這個思想實驗的示意圖如下。惠勒提出，現(xiàn)發(fā)射一個光子，使其通過半反半透鏡BS1。半反半透鏡有50%的概率將光子透射，也有50%的概率讓光子反射。光子經(jīng)過透射或反射后，分別抵達M1、M2處，然后被M1、M2處放置的全反射鏡反射，最終抵達D1或D2處。而在D1、D2放置有觀測裝置，通過觀測光子最終是抵達了D1還是D2，科學(xué)家就能夠進而判斷光子行動路徑。在這個過程中光表現(xiàn)出了粒子性。  惠勒延遲選擇實驗示意圖 但現(xiàn)在對實驗稍作一點改動。在之前的裝置基礎(chǔ)之上，在I2處也放置一個半反半透鏡BS2。這樣，光子在通過I2處時會與自身發(fā)生干涉。如果通過BS2適當調(diào)節(jié)光程差，則能夠使到達D1處的光反相位疊加、使到達D2處的光同相位疊加，從而觀測到D1無光、D2有光的現(xiàn)象。此時，光同時通過了兩條路徑，表現(xiàn)出了波動性。 這個實驗乍看之下，只是楊氏雙縫干涉實驗的升級版。但有一點值得注意的是，光表現(xiàn)出波動性還是表現(xiàn)出粒子性，完全取決于觀測者是否放置BS2這塊半反半透鏡。由于BS2可以在光子通過BS1之后再選擇是否放置（所謂的“延遲選擇”），那么“光子通過的路徑”這個已經(jīng)發(fā)生的事實，就完全依賴于觀測者的操作而改變，也就是說，觀測者的選擇決定了過去。 并且，因為實驗結(jié)果與實驗中光子通過的距離沒有關(guān)系，所以從理論上講，光子通過的距離越遠，觀測者就能決定發(fā)生時間越久遠的事實。正因如此，從宏觀角度來理解延遲選擇實驗，將會導(dǎo)致非常嚴重的因果律危機。馬小松教授說：“這個思想實驗是量子力學(xué)中最引人入勝的效應(yīng)之一，它一針見血地指出了經(jīng)典物理和量子物理在時空概念上的差異性。” 延遲選擇實驗的量子版本 近年來，惠勒延遲選擇實驗及其各種變體實驗已經(jīng)被付諸實踐。而馬小松教授團隊所做的工作是最新近的成果。馬小松教授表示：“由于光學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，這些思想實驗都得以一一實現(xiàn)，而且現(xiàn)在我們還能夠據(jù)此設(shè)計出更多新更新的實驗。” 在馬小松教授團隊的實驗中，“延遲選擇”思想實驗被設(shè)計為一個量子版本。在實驗設(shè)計中，單個光子的粒子態(tài)和波動態(tài)處于相干疊加態(tài)。實現(xiàn)這一“波－粒疊加狀態(tài)”的關(guān)鍵是通過其它光子的量子態(tài)來控制一個光子在粒子態(tài)和波動態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。 |
