我們都知道光具有波粒二象性，但能否實(shí)現(xiàn)對這種量子疊加狀態(tài)的操控？記者3日從南京大學(xué)獲悉，該校物理學(xué)院馬小松教授團(tuán)隊(duì)首次演示了單光子波動性和粒子性的非局域可控疊加。相關(guān)成果2日發(fā)表在《自然-光子學(xué)》上。

在人類科學(xué)史上，歐幾里得、笛卡爾、牛頓等著名科學(xué)家都曾研究過光的本質(zhì)是粒子還是波。19世紀(jì)，托馬斯·楊在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了光的干涉現(xiàn)象，顯示了光的波動性。到了20世紀(jì)，人們在發(fā)展量子物理的時候明確，光具有波粒二象性，它既是粒子也是波，處于波與粒子的疊加態(tài)。

是否可以找到一種控制手段，讓單個光子按照我們的需要，僅表現(xiàn)為粒子，或者僅表現(xiàn)為波？著名物理學(xué)家惠勒提出的延遲選擇實(shí)驗(yàn)，就是外部觀測者通過操控光學(xué)元件，決定單個光子表現(xiàn)出波動性或粒子性，如果在光子進(jìn)入實(shí)驗(yàn)裝置后再“延遲”選擇，會發(fā)現(xiàn)這個選擇“改變”了光子的性質(zhì)。

“這個實(shí)驗(yàn)深刻闡述了經(jīng)典物理與量子物理不同的時空觀，不能用經(jīng)典物理的概念去理解量子物理的現(xiàn)象?！瘪R小松教授介紹，團(tuán)隊(duì)在惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了一個新的非局域量子延遲選擇實(shí)驗(yàn)。在該實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)使用另外一對糾纏光子作為控制單元，利用它們之間的糾纏調(diào)控實(shí)驗(yàn)主體光子的性質(zhì)。

為了實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的非局域量子控制，控制單元須遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)主體單元，滿足“愛因斯坦局域性”條件?！拔覀兇舜螄?yán)格依照‘愛因斯坦局域性’條件實(shí)現(xiàn)了量子延遲選擇實(shí)驗(yàn), 彌補(bǔ)了惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)的漏洞。”論文第一作者、南京大學(xué)博士生王凱說，“要實(shí)現(xiàn)這個條件，我們要在空間上與時間上都能精確控制實(shí)驗(yàn)儀器。實(shí)驗(yàn)光學(xué)儀器分布在校園內(nèi)的兩個實(shí)驗(yàn)室中，光信號與電信號的時序經(jīng)過了精確設(shè)置。”

馬小松表示，實(shí)驗(yàn)不但證明了光可以同時處于波動性或粒子性的量子疊加,而且還證明了這種“波-粒”量子疊加態(tài)是可調(diào)控的，為量子光學(xué)以及量子信息處理提供了新方法。 

（原題為《中國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)對光的波粒二象性可控量子疊加》）