研究人员观察到两个光子的波粒二象性
图 1.我们使用MZI观察光子WPS的实验装置示意图。图片来源：Zhong-Xiao Man
理解量子物体行为的本质是合理描述量子世界的前提。根据干涉是否能够产生，量子物体被赋予了波和粒子的双重特征，即所谓的波粒二象性（WPD），这在玻尔互补原理意义上的所谓互斥实验安排中通常被观察到。
理论物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）在1980年代提出了延迟选择实验，指出用于观察光子的方法将最终决定它们的行为是像粒子还是波。
2011 年，Ionicioiu 和 Terno 提出了延迟选择实验的量子版本，通过该实验，光子可以被迫进入粒子和波的叠加状态，并随着 ancilla 控制参数的变化在这两边之间表现出连续变形。
在最近发表在《物理评论A》上的一项研究中，我们开发了一种理论并进行了实验，以研究一个光子和两个光子作为波或粒子的双重行为，依赖于图1中示意图的设置，并在图2中详细说明。
图 2.用于观察各种光子行为的实验装置。图片来源：Zhong-Xiao Man
通过使用我们提出的设置，我们能够通过调整单个经典控制参数 α 来观察一个光子或两个光子的纯波状或纯粒子状或波状粒子叠加行为，该参数与我们添加到马赫-曾德尔干涉仪中的分束器的反射率成正比。
我们发现，在波粒叠加态下，一个和两个光子的波长与纯波态的波长相同。双光子情况下的干涉可见度总是低于单光子情况下的干涉可见度。所有实验结果都与理论预测完全吻合，证明了我们提出的设置的相关性。
我们的延迟选择实验方案采用与设备无关的准备和测量场景来测试具有纯经典控制的隐变量模型。我们计算了相应的维度见证，并揭示了在一定参数范围内违反线性维度见证，证明了隐藏变量模型的不可能性。虽然在这项工作中我们考虑了光子，但类似的结果也适用于物质粒子。
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更多信息：Qing-Feng Xue 等人，单光子和双光子波粒子叠加：理论与实验，物理评论 A （2023）。DOI： 10.1103/PhysRevA.108.022223
期刊信息： Physical Review A