南京大学马小松课题组:光的波粒二象性的可控量子叠加
2019-10-25

南京大学马小松教授课题组设计并实现了非局域的量子延迟选择实验,观测到了光的波动性与粒子性的可控量子叠加。该项工作为未来的量子技术提供了新的控制手段。

光具有波粒二象性:光的干涉现象体现出波动性,光的能量量子化体现出粒子性。而在单次实验中,并不能同时完全观测到这两种性质,这是由量子力学中的互补性原理所决定的。并且光子表现出何种性质与实验的选择相关,例如,由惠勒提出的延迟选择实验,一个外部的观测者可以通过对实验装置中一个光学元件的操控来主动选择单个光子表现出波动性还是粒子性,甚至在光子进入实验装置之后再做选择,选择依然是有效的,如图1a所示,在光子进入干涉仪之后,由量子随机数生成器控制是否在干涉仪中加入第二个分束器。


图1. 延迟选择实验演化。(a)惠勒延迟选择实验。(b)量子延迟选择实验。(c)非局域的量子延迟选择实验。

马小松教授团队在惠勒的延迟选择实验和量子延迟选择实验(如图1b,用量子分束器代替原有的BS2。控制光子C用作量子分束器的控制源)基础上提出并展示了一个新的非局域量子延迟选择实验,如图1c所示,BS2的设置由一对纠缠光子C,A的关联决定。光子A的偏振随机地投影到|H>/|V>基或者|α⟩=cosα |H⟩+sinα |V⟩/|α⟩=sinα |H⟩-cosα |V⟩基上,以便远程控制BS2。在该实验中,他们使用了另外一对纠缠光子作为控制单元,利用纠缠光子对去调控在波动性与粒子性之间切换的实验主体光子。为了实现严格的非局域量子控制,控制单元需要远离实验主体单元,也就是要满足‘爱因斯坦局域性’条件。通过审慎地规划设备位置和校时,他们实现了相关事件在相对论意义上的隔离。


图2. 利用纠缠光源做非局域调控的实验设置。(a)实验全景。(b)实验设置。(c)时空图。

该实验的具体实验架构如图2。光源的产生与测量分布于相距141 m的两个实验室中。在实验室1(Lab1)中,产生纠缠光子对(EPR,光子C和A)与系统光子(S)。光子C通过双量子比特门(CH gate)用于调控系统光子S;辅助A光子则经过光纤传输至Lab2,做随机的偏振基测量。团队在实验中利用量子控制门,不仅观测到了波动性与粒子性的经典混态叠加,也看到了二者的量子相干叠加,如图3,4。


图3. 实验中波动性与粒子性叠加的证明。

Z轴表示光子S从干涉仪水平偏振端口出射概率。图3(a-c)为理想情况下,考虑到实验条件的理论预期和实验上得到的波动性与粒子性经典混态叠加的结果。随着的增加,光子由粒子性过渡到波动性。图3(d-f)为理想情况下,考虑到实验条件的理论预期和实验上得到的波动性与粒子性量子叠加的结果。由于波动性与粒子性的量子叠加,存在干涉项,与经典混态叠加结果不同。


图4. 实验中波动性与粒子性量子叠加的直接证明。

辅助光子A的偏振测量角固定在α=π/4处。实验中除了变化干涉仪中的相位ψ,还扫描了|w>与|p>之间的相对相位δ。图4(a-c) 为理想情况下,考虑到实验条件的理论预期和实验上得到的波动性与粒子性经典混态叠加的结果。由于是经典混态叠加,叠加没有显示出对相对相位δ的依赖。图4(d-f)为理想情况下,考虑到实验条件的理论预期和实验上得到的波动性与粒子性量子叠加的结果。量子叠加出现了|w>与|p>的干涉项,结果依赖于δ。

实验成果证明了:光既能以粒子态或者波动态存在,也能以二者的量子叠加态存在。而且,这一量子叠加的性质是可控的。该成果对量子光学具有根本性的意义,同时也为在未来的量子技术中实现非局域控制量子系统铺平了道路。

相关研究成果以“Quantum wave–particle superposition in a delayed-choice experiment”为题于2019年9月发表在Nature Photonics上。16级博士生王凯为文章第一作者,19届本科毕业生徐乾为第二作者,马小松教授为论文的通讯作者, 祝世宁院士深入指导了本项工作。

该项研究得到南京大学卓越计划和国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项基金项目的资助。此项研究工作也得到南京大学固体微结构国家重点实验室、物理学院和人工微结构科学与技术协同创新中心支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41566-019-0509-0

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