Photonics Research 2020年第4期Editors' Pick：
Fenghua Qi, Zhiyuan Wang, Weiwang Xu, et al. Towards simultaneous observation of path and interference of a single photon in a modified Mach–Zehnder interferometer[J]. Photonics Research, 2020, 8(4): 04000622
量子力学是20世纪人类三大科学成就之一，在过去的100多年里取得了巨大的成功。但是，自其诞生开始，一些基本概念一直存在着争议。20世纪二三十年代，以玻尔、海森堡、伯恩、泡利等为代表的哥本哈根学派阵营和以爱因斯坦、薛定谔、德布罗意等为代表的阵营就量子力学的基本概念及物理基础问题展开了激烈的交锋，以哥本哈根学派大获全胜而告终，形成了对量子力学的哥本哈根标准诠释，作为正统而传承至今。
在量子力学的哥本哈根诠释的概念体系中，波粒二象性原理（wave-particle duality）居于中心的地位。这个原理指出，微观粒子（包括有质量的粒子，如原子、分子、电子、质子、中子等，以及无质量的粒子，如光子等）具有波粒二象性，它们有时表现为粒子性（有确定的路径，但不产生干涉条纹），有时表现为波动性（没有确定的路径，但产生干涉条纹），依赖于观察者如何去观测它们的运动行为，但是不可能同时表现出波动性和粒子性。波粒二象性原理进入了量子力学教科书，近百年来一直被奉为经典，不可逾越，即原则上（不仅是实验上，理论上亦然）不可能找到任何方法或者技术能够同时观测到微观粒子的波动性和粒子性。
确实，波粒二象性及其实验检验是一个高度复杂的物理问题，可以说迷雾重重，著名的物理学家费曼宣称它是“量子力学中一个真正的奥秘”。近一个世纪以来众多科学家们基于各种假想（gedanken）或现实（practical）的干涉仪（例如杨氏双缝干涉仪和马赫－曾德尔干涉仪）做了大量的研究，以检验微观粒子的波粒二象性。
上世纪二十年代，爱因斯坦提出了反冲双缝干涉实验（recoiling two-slit interferometer），七十年代，惠勒（John Wheeler）提出了“延迟选择实验（delayed-choice experiments）”，八十年代Scully提出了量子擦除（quantum eraser）概念。最近几年，国内外几个课题组提出并实验验证了微观粒子可处于波动性和粒子性量子叠加态，对该量子力学重大基础问题的探索已近百年，至今方兴未艾。
图1 (a) 全反射棱镜斜面作为反射面和干涉屏；(b) 基于胶体量子点的单光子源辐射和单模光纤耦合收集系统；(c) 改进的全反射式马赫－曾德尔干涉仪，APD1和APD2用于路径辨别测量，APD3用于干涉条纹测量（APD：雪崩二极管，用于探测单光子）
在前期的理论研究基础上，自2018年起，陈学文和李志远就此问题开展了长期深入的讨论。经过不懈努力，历经多次优化，显著地提升了单光子源、单光子探测器、干涉条纹纪录屏等多个关键器件的性能配置，最终确定了弱测量马赫-曾德尔实验方案及实验装置。在两位博士研究生祁风华和王志远的鼎力协助下，合作团队于2019年利用该弱测量干涉仪，首次从实验上成功演示了单光子波动性和粒子性的同时观测（V2+D2>>1）。随后的多次实验验证了其具有高度可重复性。相关研究成果发表在Photonics Research 2020年第4期上，华中科技大学博士研究生祁风华和王志远为共同第一作者，陈学文教授和李志远教授为共同通讯作者。
图2 单光子波动与粒子性同时测量结果。研究纵向干涉情况，a记录APD1和APD2探测到的每秒光子计数与楔形玻璃板位置的关系，b记录同时APD3的计数值；研究横向干涉情况，c记录APD1和APD2探测到的每秒光子计数与狭缝位置的关系，d记录同时APD3的计数值。
由此，人们似乎可以完美地同时观测微观粒子的波动性和粒子性，也就是说，人们完全有可能在观测和监控全同光子系综里面的一个个光子自身的运动路径（即从干涉仪的哪个臂行走）的同时，还能看到整个光子系综形成的完美干涉条纹，两者互不排斥，这显然超越了经典的波粒二象性原理的限制。
此外，这项工作还带来了一个发人深省的推论，即微观粒子的波动性和粒子性似乎不取决于测量，而取决于粒子内在的性质，即它具有物理实在性（physical reality），而在此之前人们不能同时观测只是由于实验装置不够适合而造成的。
作者们希望本项实验为人们进一步思考波粒二象性的本质内涵和量子力学的基础问题打开新的视角，并为思考、发现和完善微观世界可能存在的新基础物理理论（可称为新量子力学）提供有益的参考。
文章链接：
http://www.clp.ac.cn/EN/Article/OJ7f29cf81ef60c016
文章来源：中国激光
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