前沿|思想实验：拆分波粒二象性

Pratyusha Chowdhury, Arun Kumar Pati, Jing-Ling Chen. Wave and particle properties can be spatially separated in a quantum entity. Photonics Research, 2021, 9 (7): 1379-1383

波动性与粒子性是大自然的两个基本属性。关于光是波还是粒子的争论是一个古老的问题。例如，牛顿认为光是一个粒子，而惠更斯、托马斯·杨、麦克斯韦等人则认为光是一个波。

量子理论出现后，人们开始意识到光可以是一个相互矛盾的量子实体，即它可以是波或者粒子，取决于具体的实验环境。这种令人惊讶的现象就是众所周知的光的波粒二象性原理。

1923年，法国物理学家路易斯·德布罗意大胆地将波粒二象性从光推广到任意其他物质，此天才的思想彻底改变了我们对物理世界的看法，同时也启发了量子力学基本方程的建立，即薛定谔方程。如今，波粒二象性已经深深扎根于人们的心中。它导致了一种常识性的看法，即波动属性和粒子属性在一个量子实体中同时共存。

波粒二象性似乎告诉我们，波动性与粒子性这两个物理属性是相互绑定在一起，因此不能在一个量子实体中被拆分。这就引起了一个根本问题：人们能否完全分离单个光子的波动性与和粒子性，从而成功拆分波粒二象性？

为了解决上述问题，印度理工学院的P. Chowdhury、哈里什-钱德拉研究所的A. K. Pati教授和南开大学的陈景灵教授提出了一个思想实验，用以展示单个光子的波动性与粒子性可以在空间中分离。这一重大成果作为封面文章发表于Photonics Research 2021年第9卷第7期。

 拆分波粒二象性

为了展示这种分离，该研究团队首先使用波粒盒子来产生单个光子的波粒叠加状态，然后根据量子柴郡猫的类似技术设计了一个实验装置。量子柴郡猫是一种量子悖论，其表示猫（量子物体）和它的笑容（物理属性）可以在空间中分离。

此研究工作所提议的实验装置包括改进的马赫-曾德尔干涉仪，人们可以通过选择合适的预选和后选状态来计算某些可观察量的弱值。研究团队发现光的粒子特性在干涉仪的左臂为零，而波的特性在右臂为零，从而在改进的马赫-曾德尔干涉仪中实现了波粒属性的空间分离。

此外，他们还发现，虽然光的波粒二象性被打破，但在波粒属性空间分离的情况下互补性原理仍然成立。该研究成果在量子基础和量子通信领域具有潜在的应用价值。

陈景灵教授认为，拆分波粒二象性是量子基础的一个重要贡献，其将激发一些新的实验研究。例如，当采用“纯粒子特性”的光进行杨氏双缝实验时，屏幕上的干涉条纹是否会消失；同时，当采用具有“纯粒子特性”的电子进行相应的衍射实验时，电子的衍射效应是否会消失。

Pati教授认为可以在后续工作中实施一个有趣的提议。对于量子柴郡猫来说，它意味着量子物体与其物理特性之间的双方分离。对于拆分波粒二象性而言，它表示量子物体中两个物理特性之间的双方分离。通过联合量子柴郡猫以及波粒二象性的拆分，人们可以进一步考虑三方分离，即量子物体本身、波动属性和粒子属性之间的三方分离。一旦实现这样的分离，那么人们将获得量子的“超级柴郡猫”。