01导读

近期，华南师范大学颜辉和朱诗亮教授研究团队在量子物理领域取得重要研究进展：首次实现了“量子最小作用量原理”的实验验证。该成果于5月22日以“Demonstration of the quantum principle of least action with single photons”为题在国际顶级期刊Nature Photonics在线发表。国际著名科学杂志《New Scientist》对此研究成果进行了报道并评价：“最小作用量原理是自18世纪以来物理学中的核心原理，直到此研究才首次在量子层面被直接观测和验证。”

02研究背景

牛顿有句名言”大自然钟爱简洁(nature is pleased with simplicity)”，但他并没有找到这个哲学思想的背后物理机制。1744年开始，莫培督（Maupertuis）逐步得出“大自然的简洁来源于作用量的最小化”的论断，这是首次把最小作用量原理写成文字。这个原理以及其变体几乎渗透到物理学中的每个角落，它可以导出物理学各个分支中的运动方程，在物理学乃至科学发展史中有着极其重要的地位。

1942年，费曼发表了根据最小作用量原理提出的量子力学路径积分表述，这是继薛定谔的波动力学和海森堡的矩阵力学之后的第三种量子力学表述方式。它以一种简洁、优美并最接近经典概念的方式诠释了量子理论。路径积分表述极大地推动了现代量子物理学的发展，是量子场论、量子统计、量子引力等多个领域的基石。然而，物理学界一直未有实验测量出路径积分中的关键物理量——传播子，这使得路径积分的基本概念研究一直停留在理论阶段。此外，因为传播子测量技术的缺失，量子力学中的最小作用量原理一直也未能被实验直接演示或验证。

03研究创新点

图1

的相机对光子的空间分布进行探测，传播子的实部和虚部最终便可以在不同偏振态光子空间分布图中被分析并重构出来。这个实验中传播子的测量结果与费曼计算的理论结果高度吻合（图2），从而首次在实验中测出了传播子。

在成功测量出传播子之后，研究团队进一步开展通过传播子验证量子力学中的最小作用量原理的研究。由于作用量正比于传播子的相位因子，因此，对测量所得传播子的相位进行分析，通过最小作用量原理，找到传播子相位的极值所在

图2

位置，便能得到单光子的经典路径。经过对海量的传播子实验数据进行计算和分析，研究团队成功地得到了单光子在自由空间和谐振势场中的经典路径（图3），这些路径与经典力学理论所预测的路径吻合，从而首次在实验中演示和验证了量子力学中的最小作用量原理，揭示了最小作用量原理在量子力学和经典力学中的统一性。

图3

04总结与展望

传播子是费曼路径积分的关键物理量，首次实现传播子的实验测量有重要的科学意义，打开了实验研究与路径积分相关的量子现象的大门。最小作用量原理有着悠久的历史，是众多杰出科学家共同努力得出的精神财富，该实验首次在量子实验层面揭开了它的面纱，窥探其中科学的美感与理性精神。

华南师范大学博士后温永立、王云飞和博士研究生田礼漫为论文共同第一作者，颜辉和朱诗亮教授为共同通讯作者。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划、一流学科等经费的支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41566-023-01212-1