Light | 实验分离波粒二象性

说明：本文由论文作者团队（课题组）投稿

波动性与粒子性是大自然中物质的两个基本属性。以光为例，关于其是波还是粒子的争论可追溯至17世纪。牛顿在其著作《光学》中，建立了相对完善的光的粒子理论，使光的粒子学说成为了此后近一个世纪的主流学说。而惠更斯、托马斯·杨、麦克斯韦等人则认为光是一种波。直至20世纪初，爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释，使得人们意识到光具有波粒二象性这一特性。玻尔随后在其著名的互补原理中指出，光究竟体现波动性还是粒子性取决于具体的实验环境，且这两种属性无法在一次实验中被同时观测到。然而，在约翰·惠勒提出其著名的延迟选择实验后，基于其的量子版本已在理论上证明，光可以同时体现一种“非波非粒，亦波亦粒”的波粒叠加态，随后在大量实验中均观测到了这一奇特现象。光的波粒叠加态的实验观测，挑战了玻尔互补原理的传统界限，重新定义了波粒二象性的概念。

2013年，受到《爱丽丝梦游仙境》中柴郡猫的启发，阿哈罗诺夫等人提出了量子柴郡猫理论。该理论揭示了一个十分新奇的物理现象，即柴郡猫的身体（物质实体）可以与其笑脸（物理属性）实现空间分离，这使得物质属性与本体的分离成为可能。随后，研究人员在中子与光子体系均观测到了量子柴郡猫现象，并进一步观察到两只量子柴郡猫交换笑脸的现象。

近日，受到这一理论的启发，中国科学技术大学李传锋教授团队与南开大学陈景灵教授团队合作，通过利用光子的不同自由度来设计实验，以及利用基于虚时演化的弱测量技术，实现了对光的波粒二象性的拆分，即波动属性与粒子属性的空间分离，在不同的区域同时观测到光子的波动属性和粒子属性。

该成果将有助于加深对波粒二象性这一量子力学基本概念更深层次的理解，同时所使用的弱测量手段也将为量子精密测量及反事实通讯等方向的实验探究提供思路。

该研究成果以“Experimental demonstration of separating the wave‒particle duality of a single photon with the quantum Cheshire cat”为题在线发表在Light: Science & Applications。

| 论文信息 |

Li, JK., Sun, K., Wang, Y. et al. Experimental demonstration of separating the wave‒particle duality of a single photon with the quantum Cheshire cat. Light Sci Appl 12, 18 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-01063-5

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