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今日快讯
量子力学基础问题研究获得突破：单光子波动性和粒子性同时观测的实验演示
陈学文1，李志远2
1华中科技大学 物理学院，E-mail: xuewen_chen@hust.edu.cn
2华南理工大学 物理与光电子学院，E-mail: phzyli@scut.edu.cn
微观粒子的波粒二象性是量子力学的核心基础问题，最近，华中科技大学物理学院的陈学文教授和华南理工大学物理与光电学院的李志远教授合作，在李志远教授前期理论研究的基础上，设计和搭建了弱测量光子马赫-曾德干涉仪，实验上检验了单光子的波粒二象性。他们以确凿的实验证据演示了单光子波动性和粒子性的同时观测，其综合指标突破了经典量子力学波粒二象性原理的限制。相关研究成果以题目“Towards simultaneous observation of path and interference of a single photon in a modified Mach-Zehnder interferometer”发表在光学领域重要期刊Photonics Research 2020年第8卷第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，陈学文和李志远为共同通讯作者。
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。二十世纪二、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，结果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（不仅仅是实验上，而且是理论上）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－曾德干涉仪）做了大量的研究以检验微观粒子的波粒二象性。从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，一直到最近几年，国际和国内几个小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，至今仍方兴未艾。
图1 (a) 经典的马赫－曾德干涉仪用于检验波粒二象性，例如“延迟性选择”方案，分束器2可以放在路径中或者不在；(b) 修改的马赫－曾德干涉仪用于同时观测波动性和粒子性，采用高透射率、低散射率干涉屏替代分束器2。
如果将波动性和粒子性分别以条纹可见度V和路径分辨度D表征，这些实验结果大致可以归纳为三类：1）基于一种实验装置，以丢失路径辨识度为代价，获得完美的条纹可见度，即V=1，D=0；2）基于另外一种实验装置，以丢失条纹可见度为代价，获得完美的路径辨识度，即V=0，D=1；3）基于延迟性选择的干涉仪，可以得到部分路径辨识度(D≠0)和部分条纹可见度(V≠0)，但是还是满足 V2+D2≤1。可见，迄今为止还没有实验突破经典的波粒二象性框架。华南理工大学李志远教授近年来对波粒二象性检验问题作了深入的思考，发现这些实验实际上都是所谓的强测量干涉仪[EPL 117, 50005 (2017)]。例如，为了检验波动性，在图-1a中将分束器2放入，直接破坏了粒子性的可观测性。为了解决这一问题，如图-1b在理论上提出了采用弱测量干涉仪的思路，将分束器2替换为一个高透射、弱散射的干涉屏。在改进的新干涉仪中，光子几乎像未经过任何介质一样沿着原路径传播，其路径清晰可辨，保障了粒子性的观测。而弱散射屏的作用是以很低的干扰度（等价于散射率）将空间存在的波干涉图案清晰地显示出来，从而有望同时获得V≈1, D≈1，突破传统波粒二象性极限。
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，最终确定了如图2所示的弱测量马赫-曾德实验方案及实验装置。在两位博士生祁风华和王志远的鼎力协助下，合作团队于2019年在此弱测量干涉仪上首次成功从实验上演示了单光子波动性和粒子性的同时观测（V2+D2>>1），后经多次实验，验证了实验具有高度可重复性。
图2：(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－曾德干涉仪，APD1和APD2用于路径辨别测量，APD3用于干涉条纹测量（APD是雪崩二极管简称，用于探测单光子）
实验装置如图2所示，在这项实验研究中，作者们采用单颗粒胶体量子点产生的荧光作为单光子源，并把它耦合到单模光纤，得到单模输出亮度为约每秒10万计数的单光子辐射。为了克服弱测量条件下单光子干涉信号极弱的困难，作者们创造性地将透射式马赫－曾德干涉仪装置修改成全反射式，利用全反射棱镜的斜面作为反射面和干涉屏分别进行路径辨别和干涉条纹识别的同时测量。为了实现干涉条纹的弱测量，作者们别出心裁地在棱镜反射面涂上稀释的纯牛奶膜（近乎理想的漫散射体，可忠实地纪录干涉条纹），从而方便地获得15%左右的散射效率。利用棱镜反射式装置可将入射光与干涉探测在空间上完全分开的特点，作者们可采用高数值孔径显微物镜高效率地收集散射光，并且可利用点探测器和可移动狭缝结合的探测方法进一步提高信号水平。综合以上实验技术，作者们在获得路径辨别探测的同时实现了微弱的干涉条纹探测。
为了演示单光子波动性与粒子性的同时观测，作者们首先对干涉条纹和路径信息随干涉臂光程差的影响作了观测，如图-3a中插图所示，通过改变楔形玻璃板位置以调节光路2的光程并维持狭缝位置不变，图-3a 和图-3b分别记录了APD1、APD2和APD3的光子计数随光程差变化的结果，处理后得到纵向干涉条纹可见度V≈0.97和路径辨识度D=0.83, 从而V2+D2 ≈ 1.63 >>1。接着如图-3c中插图所示，固定楔形玻璃板位置，扫描狭缝位置，观测横向干涉效应，图-3c和图-3d分别展示了扫描狭缝过程中APD1、APD2和APD3的光子计数变化情况，处理后得到横向干涉条纹可见度V≈0.84和路径辨识度D=0.83, 同样获得V2+D2 ≈ 1.39 >>1。
图-3 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。
需要指出和澄清的是，实验观察得到的干涉条纹并非仅仅是显示了那些被APD3所探测到的从牛奶薄膜散射出来的光子的波动性，而是显示了从单光子源出来进入干涉仪的光子（波粒二象性检测对象）的波动性，因为APD3检测到的光子是整个全同光子系综的一个忠实样本。因此，实验结果表明光子的波动性和粒子性可以被同时观测到，并且可以明显地突破经典的波粒二象性的限制。作者们还预测，随着实验装置和单光子源的进一步优化，比如采用散射率更低、反射率更高的全反射棱镜，采用收集效率更高的探测光路，采用探测效率更高的单光子计数器APD3，将很有希望进一步提高路径辨识度和条纹可见度，从而接近V≈1和D≈1。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，两者互相不排斥，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，即微观粒子之波动性和粒子性似乎不是由于测量决定的，而是粒子内在的性质，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引发的问题。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。
这项研究工作得到国家自然科学基金项目(项目编号：11474114, 11874166, 11974119)、 广东省引进创新创业团队 (2016ZT06C594)和国家青年千人计划资助。另外，作者们要特别感谢浙江大学化学系彭笑刚教授团队在量子点样品方面的支持和帮助。
论文原文：Fenghua Qi, Zhiyuan Wang, Weiwang Xu, Xue-Wen Chen*, Zhi-Yuan Li*, “Towards simultaneous observation of path and interference of single photon in a modified Mach–Zehnder interferometer”, Photonic Research 8(4), 622-629 (2020).
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CLP平台的论文链接：
http://www.clp.ac.cn/EN/Article/OJ7f29cf81ef60c016?tdsourcetag=s_pctim_aiomsg
OSA平台的论文链接：
https://www.osapublishing.org/prj/abstract.cfm?uri=prj-8-4-622
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