物理

波,粒子或介于两者之间

光子的行为取决于粒子或波,具体取决于它们所经历的经历。两个团队设计了干涉仪,以突出结合波和粒子的状态。

肖恩·拜利

波还是粒子?自从量子物理学的第一次发展以来,量子物体的性质问题就被证明是卓有成效的。 1924年,法国物理学家路易斯·德布罗意(Louis de Broglie)发现了波粒二象性,这意味着每个物体都具有波和质子特性。然后,在1927年,丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)提出了互补性的概念,根据该概念,量子物体的行为越像波,它的行为越不像粒子,这与它所经受的实验配置有关。这个概念证明了为什么光有时在干扰实验中表现得像波,而在光电效应中表现得像粒子,有时又像光子。由尼斯(CNRS和尼斯索菲亚安提波利斯大学)的凝聚态物理实验室的塞巴斯蒂安·坦齐利(SébastienTanzilli)领导的两个团队,与巴黎的量子材料和现象实验室(CNRS和巴黎狄德罗大学)合作,布里斯托大学的杰里米·奥布赖恩(Jeremy O'Brien)的另一位科学家则开发了实验来研究这种互补性概念。他们的结果表明,量子物体的性质可以将微粒状态和波动状态结合起来,这需要推广互补性的概念。

让我们看看S. Tanzilli的团队如何运作。本实验的核心是马赫曾德尔干涉仪,它由两个反射镜和两个半反射镜(以下称为A和B)组成。入射光子穿过半反射镜A或被其反射,从而在干涉仪的输出端为光提供两条可能的路径,使其朝向半反射镜B传播。因此,放置在半反射镜B后面的两个检测器将记录光子的到达,其概率取决于两条可能路径之间的路径差(一个相位差)。

当一次将一个光子发送到系统中时,粒子到达第二个半反射镜B,在该处传输或反射。由于我们不知道光子所走的路径(它同时穿过两个路径),检测器会记录干扰,这反映了波的行为。与打开第二半反射镜B的打开配置相反,这称为关闭配置,在这种情况下,一个或另一个检测器检测到光子的可能性为50% ,我们说光子的行为就像一个粒子。

因此,光子的波或粒子行为取决于干涉仪的配置(闭合或打开)。 1978年,美国物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)建议观察一旦光子进入设备后决定是否放置半反射镜B,即他穿过半反射镜A。我们说的是“延迟选择”的经历。事实证明,在这种情况下,玻尔互补性的概念仍然得到尊重:如果闭合构型,则观察到波状行为;如果闭合,则观察到波状行为。如果打开了配置,则尽管延迟了配置选择,但行为仍是小细胞类型的。

弗洛里安·凯瑟(Florian Kaiser)和他的同事们想走得更远,看看当我们忽略半反射镜B的配置时会发生什么。为此,他们开发了 量子半反射镜,即具有两个量子态的器件,其中一个对应于半反射镜的存在(封闭配置),另一个对应于不存在的半开放镜(开放配置)。想法是获得一种干涉仪,其配置取决于光子的性质而打开或关闭,而无法访问此信息。在这种情况下,法国团队设计的半反射镜对入射光子的偏振很敏感(换句话说,光子的偏振决定了半反射镜B的状态),物理学家已经这样做了。因此不可能在干涉仪的输出端测量这种偏振。

但是,您如何知道光子在此设备中是表现为微粒作用还是波动形式? S. Tanzilli的团队使用了一对纠缠的光子,尽管距离遥远,每个光子的物理性质仍保持着紧密的联系。这些光子中的一个光子(称为测试光)被发送到干涉仪,而其孪生子被发送到另一个测量其极化的设备。然后,借助纠缠特性,对双光子的这种测量确定了测试光子的极化。由此可以推断出干涉仪处于打开或关闭状态,因此可以推断出测试光子是微粒还是波状。

利用他们的设备,S。Tanzilli的团队能够更改双光子的极化,从而改变测试光子的极化。然后,他们获得了一种干涉仪,其量子状态是闭合状态和打开状态的组合,其比例可以由实验者控制。换句话说,我们观察到一个具有粒子和波行为的测试光子!

玻尔的互补性概念迄今已应用于简单设备的临界情况:光子的行为要么像波浪,要么像粒子。在这种新设备中,量子物体以验证其广义表达中的互补性概念的比例叠加了这两种状态。

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