“烟雾缠绕的巨龙”：量子力学与延迟选择实验

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文｜南物
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南京大学物理学院、固体微结构国家实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心的马小松教授课题组与德国马克斯普朗克量子光学研究所和奥地利维也纳大学团队合作，第一次总结了近100年来量子延迟选择实验的发展历程。综述的内容涵盖从爱因斯坦开始的理论萌芽，到最新的实验进展与成果。这项研究目前已经在物理学界最权威的综述型期刊《现代物理评论》（Reviews of Modern Physics，五年影响因子51.324）最新一期上发表。

研究在线发表页面截图
从十七世纪开始，科学的发展和对光的本质的研究就紧密地联系在一起。牛顿(Isaac Newton)曾断言光是由粒子组成的；和他同时代的著名科学家惠更斯(Christiaan Huygens)持不同观点——他认为光的本质是波动。现代的量子物理学家认为，两者的观点都是正确的。光既可以被视为粒子，也可以被视为波。光的这两种不同特征会在物理实验中不同程度地表现出来，它取决于光的哪一种性质在实验中被测量。这种“波粒二象性“是量子力学最基础的原则之一。它挑战着人类的常识认知：一种物质是否可以同时具有两种相互冲突的性质？
二十世纪七十年代，美国的物理学家惠勒(John Archibald Wheeler)将这种量子力学中的最本质的不确定性比作“烟雾缠绕的巨龙” （Great Smoky Dragon）：人们可以看到巨龙的尾巴，它是粒子产生的源头；也可以看到巨龙的头，它是实验测量的结果。但是巨龙的身体却是被烟雾缠绕着的，并且人们永远无法驱散这些烟雾：实验测量的方式决定实验所研究的现象。为了具象地展示这种物理概念，惠勒提出了著名的延迟选择思想实验。在这个思想实验中，对粒子性和波动性的界定被延迟到了测量阶段。因此，光子在实验中既能表现粒子性，又能表现出波动性。事实上，取决于测量的时间和方式，光也可以同时以这两种形态存在。
在过去的几十年间，量子物理学家们一直试图在实验上实现惠勒的理想实验，从而使波粒二象性有确实的实验依据。南京大学的马小松教授，普朗克量子光学研究所的Johannes Kofler，以及量子光学与量子信息研究所、维也纳大学量子科学与技术中心（奥地利）的Anton Zeilinger通过研究，总结了延迟选择实验的发展历程，并展现了物理学家在验证延迟选择实验这一领域已经取得的巨大成功。
尽管波粒二象性起源于爱因斯坦在1905年对光电效应的光子理论解释，直到最近，一系列延迟选择实验才在实验中实现。这篇综述的第一作者，南京大学的马小松说到:“随着实验技术的飞速发展，快速精确的单粒子量子态测量得以实现，这使得许多在量子物理发展过程中被激烈讨论过的理想实验最终得以实现。”
维也纳大学的Anton Zeilinger说到：“这类实验挑战着我们对于量子世界的认知，在量子通信中和量子计算中有着广泛的应用前景。” 延迟选择实验和量子纠缠密切相关，在解决量子通信中的安全性问题中有着至关重要的影响。另一方面，延迟选择可以在特定情形下提升量子计算机的运算速率。这篇综述的作者们期望延迟选择实验一方面继续对量子物理基础的发展提供新的视角，另一方面也能够推动量子信息处理的发展及应用。
该项研究得到了青年千人计划、欧盟居里夫人基金等资助。