100年前发现的波粒二象性首次被量化

光子盒研究院出品

波粒二象性是微观粒子的基本属性之一。1905年，爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释，人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。1924年，德布罗意提出“物质波”假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。1928年，玻尔的互补性原理从哲学高度概括了波粒二象性。2015年，瑞士洛桑联邦理工学院科学家成功拍摄出光同时表现波粒二象性的照片。

 波粒二象性，有图有真相

在近期发表在《科学进展》的论文中，韩国基础科学研究所(IBS)的科学家首次量化了波粒二象性的互补性。与经典双缝实验不同，研究人员使用精确控制的光子源来测量光子的波动性和粒子性。他们的研究结果发表在上，表明光子源的性质会影响其波粒特性——这一发现使互补的普遍理解变得复杂和具有挑战。

双缝实验是互补性作用的典型例子。当单个光子遇到具有两个细开口的屏障时，它会在位于开口后面的屏幕上产生干涉图案——但只有在未观察到光子路径的情况下。此干涉图案将光子识别为波。然而，如果在开口处放置探测器以确定光子穿过哪个狭缝，干涉图案就会消失，光子的行为就像一个粒子。

诡异的双缝干涉实验

新研究通过表明狭缝的特性也很重要来补充互补性原理。在实验中，IBS研究人员将所谓的“种子光束”激光照射到两个铌酸锂晶体上。每个晶体在被照亮时会产生两个光子：一个信号光子和一个闲置光子。研究人员将信号光子发送到干涉仪中，以创建干涉图案并量化光子的波动特性，同时观察闲置光子的路径以查明其粒子特性。因为信号光子和闲置光子是一起产生的，所以它们形成了由波和粒子特性测量描述的单一量子态。

波和粒子的实验设置

通过改变每个晶体中种子光束的强度，研究人员独立地改变了晶体发射光子的几率——这一过程类似于经典实验中控制光子对每个狭缝的“吸引力”。当其中一个晶体很可能发射光子时，干涉仪产生的图案几乎看不见，这表明光子主要是粒子状的。当晶体的发射概率相等时，干涉图案很清晰，突出了光子的波动特性。 

在他们的实验中，研究人员聚焦于光子的一部分作为波、另一部分作为粒子的状态上。先前的理论研究表明，这样一个系统中的波动性和粒子性的大小应该满足一个涉及源纯度的简单方程——即特定晶体源发光的可能性。这项新研究是第一个解释并精确控制这种源纯度的互补性实验，证实了美国新泽西州史蒂文斯理工学院的物理学家(Xiaofeng Qian)及其同事的预测，即源纯度μ_s、干涉图案可见度 V 和路径可区分性 P 通过表达式 P²+ V²=μ_s²联系起来。 

钱晓峰没有参与这项研究，他说：“有了这种实验能力，就可以确认我们正在讨论的理论结构，来测试光源如何控制单个量子粒子的波粒二象性。”

美国德州农工大学的物理学家、钱在早期理论工作中的合作者Girish Agrawal也说：“这是一项了不起的成就，他们可以产生一个所有参数都在他们控制范围内的单光子态。” 

这项新研究还表明，控制和定量测量光子的波和粒子特性，可以通过测量闲置光子和确定其路径的探测器之间的纠缠来重新进行。通过这种方式，研究人员将互补性与实际量子设备中常用的光子特性联系起来。

除了可能的应用价值外，研究人员表示，这项研究挑战了物理学家关于互补性的传统思维。

钱补充说，这项实验从数量上证明，产生光子的光源的特性(就像经典实验中的狭缝一样)影响每个光子所具有的特性，而不仅仅是粒子或波。“这个实验测试和理论定量分析确实传递了这样一个信息：量子粒子可以同时但部分地表现出波粒二象性。”

参考链接：

[1]https://physicsworld.com/a/wave-particle-duality-quantified-for-the-first-time/

[2] https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi9268

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