光是什么-量子惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)

光是什么

—量子惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)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(shí)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。互補(bǔ)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(yàn)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(shí)量子力學(xué)中強(qiáng)于二值關(guān)聯(lián)的存在X.-M.Hu,etal.,Phys.Rev.Lett.2018實(shí)驗(yàn)演示量子麥克斯韋妖J.-S.Xu,etal.,NaturePhotonics2014實(shí)驗(yàn)實(shí)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(yàn)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(shí)量子力學(xué)中強(qiáng)于二值關(guān)聯(lián)的存在X.-M.Hu,etal.,Phys.Rev.Lett.2018實(shí)驗(yàn)演示量子麥克斯韋妖J.-S.Xu,etal.,NaturePhotonics2014實(shí)驗(yàn)實(shí)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(shí)驗(yàn)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(dòng)說與粒子說的爭論楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)引發(fā)的思考玻爾互補(bǔ)原理惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)經(jīng)典惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)量子惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)，探討光是什么7波動(dòng)說與粒子說的爭論古希臘時(shí)代就開始思考這個(gè)問題（公元前4世紀(jì)）亞里士多德，光是氣元的擾動(dòng)惠更斯，波動(dòng)說牛頓，粒子說托馬斯.楊，楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)菲涅爾麥克斯韋普朗克愛因斯坦德布羅意光的波動(dòng)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(shí)驗(yàn)引發(fā)的思考光源可移走的屏幕屏放上時(shí)，在屏幕上可以看到干涉條紋，光表現(xiàn)出波動(dòng)性。屏移走時(shí)，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(shí)光表現(xiàn)出粒子性。9玻爾的互補(bǔ)原理：光具有波粒二象性；一個(gè)實(shí)驗(yàn)中展示粒子性還是波動(dòng)性取決于實(shí)驗(yàn)的探測裝置；波動(dòng)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(jì)的族徽“對立即互補(bǔ)”(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(jìn)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(gè)思想實(shí)驗(yàn)，即在光子通過狹縫之后再來隨機(jī)的選擇探測裝置。這就是惠勒的延遲選擇實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)雙縫裝置Mach-Zehnder(MZ)裝置等價(jià)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(shí)驗(yàn)都是在MZ裝置中完成的12修改版本的延遲選擇實(shí)驗(yàn)：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(shí)間等原子被劈裂成兩束之后再來隨機(jī)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(shí)驗(yàn)：Jacques,V.etal.ExperimentalRealizationofWheeler’sDelayed-ChoiceGedankenExperiment.Science315,966(2007).這個(gè)實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用了電子學(xué)的快速操控裝置：電光調(diào)制器（Electro-OpticModulator，EOM）。13實(shí)驗(yàn)裝置量子噪聲塌縮得到經(jīng)典隨機(jī)數(shù)實(shí)驗(yàn)中采用80ns延遲，即當(dāng)光子通過第一個(gè)BS后到達(dá)中間24m的地方，QRNG以40ns的速度隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)探測裝置的狀態(tài)，然后再過40ns光子被探測到。實(shí)驗(yàn)結(jié)果A：有第二個(gè)BS時(shí)有干涉條紋，光子表現(xiàn)出波動(dòng)性；B：沒有第二個(gè)BS時(shí)沒有干涉條紋，光子表現(xiàn)粒子性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持了玻爾的互補(bǔ)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(shí)驗(yàn)中，選擇有BS2，產(chǎn)生干涉，觀測到波動(dòng)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(shí)驗(yàn)15難點(diǎn)：如何實(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn)互補(bǔ)原理設(shè)定的傳統(tǒng)界限，在單個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中展示光子可以在波動(dòng)和粒子兩種行為之間相干地振蕩。18NaturePhysics同時(shí)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(diǎn)報(bào)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(shí)還制作了科普宣傳動(dòng)畫。20此后，在集成光學(xué)、超導(dǎo)等系統(tǒng)中進(jìn)一步證實(shí)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(gè)程度嗎？能否再進(jìn)一步？22波粒二象性，只能認(rèn)識到這個(gè)程度嗎？能否再進(jìn)一步？23德布羅意眼里的雙縫干涉2526過雙縫時(shí)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(gè)狹縫通過。再看雙縫干涉：需要用量子粒子設(shè)計(jì)個(gè)類似的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，回答：粒子到底是怎么過雙縫的。27回到我們的波粒疊加實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(bǔ)原理(波粒二象性)意味著什么？我的個(gè)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(shí)現(xiàn)量子的惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)；制備出光