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什麼是光?其實,對於這個問題科學界一直是衆說紛紜。昨天,記者從中科大郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室獲悉,該實驗室李傳鋒研究組首次實現了量子惠勒延遲選擇實驗,製備出了光的波-粒疊加狀態,該研究豐富了人們對玻爾互補原理的理解。通俗來說,我國科學家對“光是什麼”這個古老問題有了新的認識。
“光”還真不好下定義
“光是什麼?這是一個古老的科學問題。”李傳鋒說,對於光的定義,科學界有多種說法,如最初牛頓的粒子說,到惠更斯的波動說,直至愛因斯坦的光量子說。
李傳鋒說,現在對光的理解可歸結爲“玻爾的互補原理”,即光具有“波”與“粒”二象性,波動性和粒子性這兩種屬性既對立又互補,一個實驗中具體展示哪種屬性取決於實驗裝置。
比如在由兩塊分束器構成的馬赫-曾德干涉儀中,單個光子被第一個分束器分到兩個路徑上,傳播一段距離後重合。如果在重合點加入第二個分束器,則構成干涉儀,觀測到波動性;如果不加第二個分束器,觀測到的是粒子性。
“但有一種隱變量理論認爲,光子有自由意志,在進入干涉儀之前光子就察覺到有沒有第二個分束器,並根據觀察結果決定經過第一個分束器的方式,從而展現粒子性或波動性。”李傳鋒說,爲了檢驗這種觀點上的分歧,玻爾的學生惠勒於1978年提出了著名的“延遲選擇實驗”,即實驗者等到光子已經完全經過第一個分束器之後,再選擇加不加第二個分束器。
但“延遲選擇實驗”同樣存在不足,即加與不加第二個分束器不能同時進行,因此光的波動性和粒子性不能夠同時展現出來。
科學家帶來全新認識
經過大量的科學實驗,李傳鋒研究組設計出一種量子實驗裝置,巧妙地利用光子的偏振比特作爲輔助,使測量裝置處於量子疊加態,能同時探測光子的波動性與粒子性,從而實現了量子的惠勒延遲選擇實驗。
“該實驗排除了光子有自由意志的假設,並首次觀測到波與粒子的疊加狀態。”李傳鋒說,處於這種疊加態的光子,既不像粒子態那樣沒有干涉條紋,也不像波動態那樣表現出正弦形干涉條紋,而是呈現出鋸齒形條紋這樣一種“非波非粒,亦波亦粒”的表現形式。
據介紹,該研究豐富了人們對玻爾互補原理的理解,對“光是什麼”這個古老問題有了新的認識。英國著名量子物理學家阿迪索教授等在同期雜誌的“新聞與觀察”欄目以《波-粒疊加》爲題評述了該成果,稱“該實驗挑戰了互補原理設定的傳統界限,在一個實驗裝置中展示光子可以在波動和粒子兩種行爲之間相干地振盪”。《自然-物理》雜誌也報道了該成果,稱它“重新定義了波粒二象性的概念”。