「煙霧纏繞的巨龍」:延遲選擇實驗

2020-12-05 財新

　　文｜南物

　　南京大學物理學院、固體微結構國家實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心的馬小松教授課題組與德國馬克斯普朗克量子光學研究所和奧地利維也納大學團隊合作，第一次總結了近100年來量子延遲選擇實驗的發展歷程。綜述的內容涵蓋從愛因斯坦開始的理論萌芽，到最新的實驗進展與成果。這項研究目前已經在物理學界最權威的綜述型期刊《現代物理評論》（Reviews of Modern Physics，五年影響因子51.324）最新一期上發表。

　　從十七世紀開始，科學的發展和對光的本質的研究就緊密地聯繫在一起。牛頓(Isaac Newton)曾斷言光是由粒子組成的；和他同時代的著名科學家惠更斯(Christiaan Huygens)持不同觀點——他認為光的本質是波動。現代的量子物理學家認為，兩者的觀點都是正確的。光既可以被視為粒子，也可以被視為波。光的這兩種不同特徵會在物理實驗中不同程度地表現出來，它取決於光的哪一種性質在實驗中被測量。這種「波粒二象性「是量子力學最基礎的原則之一。它挑戰著人類的常識認知：一種物質是否可以同時具有兩種相互衝突的性質？

　　二十世紀七十年代，美國的物理學家惠勒(John Archibald Wheeler)將這種量子力學中的最本質的不確定性比作「煙霧纏繞的巨龍」 （Great Smoky Dragon）：人們可以看到巨龍的尾巴，它是粒子產生的源頭；也可以看到巨龍的頭，它是實驗測量的結果。但是巨龍的身體卻是被煙霧纏繞著的，並且人們永遠無法驅散這些煙霧：實驗測量的方式決定實驗所研究的現象。為了具象地展示這種物理概念，惠勒提出了著名的延遲選擇思想實驗。在這個思想實驗中，對粒子性和波動性的界定被延遲到了測量階段。因此，光子在實驗中既能表現粒子性，又能表現出波動性。事實上，取決於測量的時間和方式，光也可以同時以這兩種形態存在。

　　在過去的幾十年間，量子物理學家們一直試圖在實驗上實現惠勒的理想實驗，從而使波粒二象性有確實的實驗依據。南京大學的馬小松教授，普朗克量子光學研究所的Johannes Kofler，以及量子光學與量子信息研究所、維也納大學量子科學與技術中心（奧地利）的Anton Zeilinger通過研究，總結了延遲選擇實驗的發展歷程，並展現了物理學家在驗證延遲選擇實驗這一領域已經取得的巨大成功。

　　儘管波粒二象性起源於愛因斯坦在1905年對光電效應的光子理論解釋，直到最近，一系列延遲選擇實驗才在實驗中實現。這篇綜述的第一作者，南京大學的馬小松說到:「隨著實驗技術的飛速發展，快速精確的單粒子量子態測量得以實現，這使得許多在量子物理發展過程中被激烈討論過的理想實驗最終得以實現。」

　　維也納大學的Anton Zeilinger說到：「這類實驗挑戰著我們對於量子世界的認知，在量子通信中和量子計算中有著廣泛的應用前景。」 延遲選擇實驗和量子糾纏密切相關，在解決量子通信中的安全性問題中有著至關重要的影響。另一方面，延遲選擇可以在特定情形下提升量子計算機的運算速率。這篇綜述的作者們期望延遲選擇實驗一方面繼續對量子物理基礎的發展提供新的視角，另一方面也能夠推動量子信息處理的發展及應用。

　　該項研究得到了青年千人計劃、歐盟居裡夫人基金等資助。

　　Publication

　　Delayed-choice gedanken experiments and their realizations. Xiao-song Ma, Johannes Kofler, Anton Zeilinger. Rev. Mod. Phys. 88, 015005 (2016)

　　http://link.aps.org/doi/10.1103/RevModPhys.88.015005

　　馬小松課題組主頁：

　　http://qoqi.nju.edu.cn/

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