光是什么-量子惠勒延遲選擇實驗

光是什么

—量子惠勒延遲選擇實驗以前人們用經(jīng)典技術(shù)研究量子物理基本問題，但是經(jīng)典的鑰匙打不開量子的大門，經(jīng)典技術(shù)無法揭開量子世界的真實面貌。量子力學(xué)雖然取得了輝煌的成就，但是量子物理的一些基本問題卻一直困擾著學(xué)術(shù)界。量子態(tài)是量子力學(xué)的核心概念，量子物理基本問題均與量子態(tài)的特性緊密相關(guān)。量子信息出現(xiàn)后，可以直接操控量子態(tài)，用量子信息技術(shù)研究量子物理基本問題，必然會得到新的認(rèn)識?；パa原理不確定關(guān)系經(jīng)典技術(shù)量子信息技術(shù)薛定諤貓佯謬2研究背景首次觀測到光的波粒疊加狀態(tài)J.-S.Tang,etal.,NaturePhotonics2012驗證糾纏輔助下新形式的不確定關(guān)系C.-F.Li,J.-S.Xu,etal.,NaturePhysics2011利用固態(tài)量子存儲制備毫米尺寸薛定諤貓態(tài)Z.-Q.Zhou,etal.,Phys.Rev.Lett.2015證實量子力學(xué)中強于二值關(guān)聯(lián)的存在X.-M.Hu,etal.,Phys.Rev.Lett.2018實驗演示量子麥克斯韋妖J.-S.Xu,etal.,NaturePhotonics2014實驗實現(xiàn)量子柴郡貓的笑臉互換Z.-H.Liu,etal.,NatureCommunications20203利用量子因果序?qū)崿F(xiàn)超海森堡極限精密測量P.Yin,etal.,NaturePhysics2023利用量子信息技術(shù)研究量子物理基本問題3首次觀測到光的波粒疊加狀態(tài)J.-S.Tang,etal.,NaturePhotonics2012驗證糾纏輔助下新形式的不確定關(guān)系C.-F.Li,J.-S.Xu,etal.,NaturePhysics2011利用固態(tài)量子存儲制備毫米尺寸薛定諤貓態(tài)Z.-Q.Zhou,etal.,Phys.Rev.Lett.2015證實量子力學(xué)中強于二值關(guān)聯(lián)的存在X.-M.Hu,etal.,Phys.Rev.Lett.2018實驗演示量子麥克斯韋妖J.-S.Xu,etal.,NaturePhotonics2014實驗實現(xiàn)量子柴郡貓的笑臉互換Z.-H.Liu,etal.,NatureCommunications20204利用量子因果序?qū)崿F(xiàn)超海森堡極限精密測量P.Yin,etal.,NaturePhysics2023利用量子信息技術(shù)研究量子物理基本問題4光學(xué)現(xiàn)象無處不在自然現(xiàn)象日常生活實驗現(xiàn)象宇宙背景輻射5光是什么?是粒子是波是？6概要波動說與粒子說的爭論楊氏雙縫實驗引發(fā)的思考玻爾互補原理惠勒延遲選擇實驗經(jīng)典惠勒延遲選擇實驗量子惠勒延遲選擇實驗，探討光是什么7波動說與粒子說的爭論古希臘時代就開始思考這個問題（公元前4世紀(jì)）亞里士多德，光是氣元的擾動惠更斯，波動說牛頓，粒子說托馬斯.楊，楊氏雙縫實驗菲涅爾麥克斯韋普朗克愛因斯坦德布羅意光的波動說取得壓倒性勝利（19世紀(jì)）黑體輻射與光電效應(yīng)支持粒子說（20世紀(jì)）兩大學(xué)說的對立（17世紀(jì)）不僅光，任何粒子都具有波粒二象性玻爾德謨克利特，微粒說8楊氏雙縫實驗引發(fā)的思考光源可移走的屏幕屏放上時，在屏幕上可以看到干涉條紋，光表現(xiàn)出波動性。屏移走時，對應(yīng)探測器上探測到光子，可知道光子是從哪條狹縫過來的。此時光表現(xiàn)出粒子性。9玻爾的互補原理：光具有波粒二象性；一個實驗中展示粒子性還是波動性取決于實驗的探測裝置；波動性和粒子性不能在同一種觀測裝置都被完全觀察到。玻爾設(shè)計的族徽“對立即互補”(contrariasuntcomplementa)10有一種隱變量理論認(rèn)為光子在通過狹縫之前可以獲得后面探測裝置的信息，然后根據(jù)這些信息來選擇表現(xiàn)形式，即進入狹縫的方式。1978年，為了排除這種隱變量理論，惠勒提出一個思想實驗，即在光子通過狹縫之后再來隨機的選擇探測裝置。這就是惠勒的延遲選擇實驗。Wheeler,J.A.The‘Past’andthe‘Delayed-Choice’Double-SlitExperiment,inMathematicalFoundationsofQuantumTheory,editedbyMarlow,A.R.(AcademicPress,NewYork,1978).Wheeler,J.A.QuantumTheoryandMeasurement,editedbyWheeler,J.A.&Zurek,W.H.(PrincetonUniversityPress,Princeton,NJ,1984).光源可移走的屏幕讓我看看后面有沒有屏幕再過去！11經(jīng)典惠勒延遲選擇實驗雙縫裝置Mach-Zehnder(MZ)裝置等價于雙縫分束器1（BS1）可移走的屏幕可移走的BS2相位φ光子的延遲選擇實驗都是在MZ裝置中完成的12修改版本的延遲選擇實驗：Lawson-Daku,B.J.etal.DelayedchoicesinatomStern-Gerlachinterferometry.Phys.Rev.A54,5042(1996).Kim,Y.H.,Yu,R.,Kulik,S.P.,Shih,Y.&Scully,M.O.Delayed“choice”quantumeraser.Phys.Rev.Lett.84,1(2000).Hellmut,T.,Walther,H.,Zajonc,A.G.&Schleich,W.Delayed-choiceexperimentsinquantuminterference.Phys.Rev.A35,2532(1987).Baldzuhn,J.,Mohler,E.&Martienssen,W.Awaveparticledelayed-choiceexperimentwithasingle-photonstate.Z.Phys.B77,347(1989).原子在Stern-Gerlach中的速度相對于光速來說要慢得多，因此有足夠的時間等原子被劈裂成兩束之后再來隨機地選擇后面的探測裝置狀態(tài)。下面主要討論原始版本的延遲選擇實驗：Jacques,V.etal.ExperimentalRealizationofWheeler’sDelayed-ChoiceGedankenExperiment.Science315,966(2007).這個實驗中運用了電子學(xué)的快速操控裝置：電光調(diào)制器（Electro-OpticModulator，EOM）。13實驗裝置量子噪聲塌縮得到經(jīng)典隨機數(shù)實驗中采用80ns延遲，即當(dāng)光子通過第一個BS后到達中間24m的地方，QRNG以40ns的速度隨機產(chǎn)生一個探測裝置的狀態(tài)，然后再過40ns光子被探測到。實驗結(jié)果A：有第二個BS時有干涉條紋，光子表現(xiàn)出波動性；B：沒有第二個BS時沒有干涉條紋，光子表現(xiàn)粒子性。實驗結(jié)果支持了玻爾的互補原理，排除了隱變量理論。14如果探測裝置是量子的，會觀測到什么現(xiàn)象？0:有BS2;1:無BS2。經(jīng)典世界非0即1。量子力學(xué)允許疊加態(tài)：即允許量子分束器（有分束器和無分束器的疊加狀態(tài)）R.Ionicioiu,etal.,PRL107,230406(2011)分束器1（BS1）可移走的BS2相位φ光的Mach-Zehnder干涉實驗中，選擇有BS2，產(chǎn)生干涉，觀測到波動性選擇無BS2，不干涉，觀測到粒子性從經(jīng)典到量子量子惠勒延遲選擇實驗15難點：如何實現(xiàn)量子分束器？創(chuàng)新：利用量子信息技術(shù)，通過輔助比特后選擇實現(xiàn)量子分束器（有分束器和無分束器的疊加）。把它放入干涉儀中觀察到鋸齒狀的波-粒疊加狀態(tài)。鋸齒狀的波-粒疊加狀態(tài)后選擇:則得到：量子惠勒延遲選擇實驗16Jian-ShunTang,Yu-LongLi,Xiao-YeXu,Guo-YongXiang,Chuan-FengLi,Guang-CanGuo,NaturePhotonics6,600(2012).NaturePhotonics封面故事文章，封面故事標(biāo)題Quantumwave-particleduality.17英國著名量子物理學(xué)家Adesso教授和Girolami教授在同期NaturePhotinics發(fā)表專文評述：波-粒疊加量子惠勒延遲選擇實驗的實現(xiàn)挑戰(zhàn)互補原理設(shè)定的傳統(tǒng)界限，在單個實驗裝置中展示光子可以在波動和粒子兩種行為之間相干地振蕩。18NaturePhysics同時發(fā)表專文評述：選擇的問題重新定義了波粒二象性的概念19著名科學(xué)雜志NewScientist在2013年1月以封面故事文章的形式重點報道本成果。題目為：量子影子-對物質(zhì)奧秘的更深入理解。同時還制作了科普宣傳動畫。20此后，在集成光學(xué)、超導(dǎo)等系統(tǒng)中進一步證實波粒疊加狀態(tài)，均引用本成果。21波粒二象性，只能認(rèn)識到這個程度嗎？能否再進一步？22波粒二象性，只能認(rèn)識到這個程度嗎？能否再進一步？23德布羅意眼里的雙縫干涉2526過雙縫時處于疊加態(tài)：過左縫過右縫

則光子的狀態(tài)就會坍縮到或。干涉條紋消失。如果測量光子是從哪個狹縫通過。再看雙縫干涉：需要用量子粒子設(shè)計個類似的雙縫干涉實驗，回答：粒子到底是怎么過雙縫的。27回到我們的波粒疊加實驗。實驗揭示：正如軌道是經(jīng)典的概念一樣，波和粒子也都是經(jīng)典的概念，在微觀世界不再適用。光是粒子，光是波的說法是不全面或者不恰當(dāng)?shù)摹?828互補原理(波粒二象性)意味著什么？我的個人理解：一種全面看世界的方式光波——光子愛因斯坦聲波——聲子電子——物質(zhì)波德布羅意引力波引力波——引力子？29總結(jié)實現(xiàn)量子的惠勒延遲選擇實驗；制備出光