按光的波粒二象性，光既可以表現(xiàn)為波也可以表現(xiàn)為粒子。而近期，南京大學(xué)馬小松教授的團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對這兩種互補(bǔ)狀態(tài)的可控量子疊加，證明實(shí)驗(yàn)中的光處于一種”波－粒疊加狀態(tài)“。這是科學(xué)家首次在嚴(yán)格的愛因斯坦定域性條件下實(shí)現(xiàn)量子版本延遲選擇實(shí)驗(yàn)。相關(guān)論文成果本周發(fā)表在《自然-光子學(xué)》雜志上。 f<=Fe:1.  
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因果律的夢魘：延遲選擇實(shí)驗(yàn) Gu;OVLR|  
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光的本質(zhì)究竟是波還是粒子，這一點(diǎn)在科學(xué)史上有過長時(shí)間的爭論。楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)確鑿無疑地證明了光的波動性，而愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋則說明了光的粒子性。在這些看似矛盾的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的驅(qū)使下，量子物理最終發(fā)展出了波粒二象性的理論框架。當(dāng)時(shí)科學(xué)家們主張，光既可以是波也可以是粒子，但不會同時(shí)是波和粒子。但光的波粒二象性卻從未停止“制造麻煩”，直到現(xiàn)在也還在挑戰(zhàn)著人們對它的認(rèn)知。 8ObeiVXf)  
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其中，約翰·惠勒（John Archibald Wheeler）提出的“延遲選擇”思想實(shí)驗(yàn)就曾令科學(xué)家們叫苦不迭。這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)的示意圖如下�；堇仗岢觯�現(xiàn)發(fā)射一個(gè)光子，使其通過半反半透鏡BS1。半反半透鏡有50%的概率將光子透射，也有50%的概率讓光子反射。光子經(jīng)過透射或反射后，分別抵達(dá)M1、M2處，然后被M1、M2處放置的全反射鏡反射，最終抵達(dá)D1或D2處。而在D1、D2放置有觀測裝置，通過觀測光子最終是抵達(dá)了D1還是D2，科學(xué)家就能夠進(jìn)而判斷光子行動路徑。在這個(gè)過程中光表現(xiàn)出了粒子性。 27#5y_ `  
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但現(xiàn)在對實(shí)驗(yàn)稍作一點(diǎn)改動。在之前的裝置基礎(chǔ)之上，在I2處也放置一個(gè)半反半透鏡BS2。這樣，光子在通過I2處時(shí)會與自身發(fā)生干涉。如果通過BS2適當(dāng)調(diào)節(jié)光程差，則能夠使到達(dá)D1處的光反相位疊加、使到達(dá)D2處的光同相位疊加，從而觀測到D1無光、D2有光的現(xiàn)象。此時(shí)，光同時(shí)通過了兩條路徑，表現(xiàn)出了波動性。 e.vtEQV9  
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這個(gè)實(shí)驗(yàn)乍看之下，只是楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的升級版。但有一點(diǎn)值得注意的是，光表現(xiàn)出波動性還是表現(xiàn)出粒子性，完全取決于觀測者是否放置BS2這塊半反半透鏡。由于BS2可以在光子通過BS1之后再選擇是否放置（所謂的“延遲選擇”），那么“光子通過的路徑”這個(gè)已經(jīng)發(fā)生的事實(shí)，就完全依賴于觀測者的操作而改變，也就是說，觀測者的選擇決定了過去。 mYv(R!37'  
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并且，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中光子通過的距離沒有關(guān)系，所以從理論上講，光子通過的距離越遠(yuǎn)，觀測者就能決定發(fā)生時(shí)間越久遠(yuǎn)的事實(shí)。正因如此，從宏觀角度來理解延遲選擇實(shí)驗(yàn)，將會導(dǎo)致非常嚴(yán)重的因果律危機(jī)。馬小松教授說：“這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)是量子力學(xué)中最引人入勝的效應(yīng)之一，它一針見血地指出了經(jīng)典物理和量子物理在時(shí)空概念上的差異性�！� 0xMj=3']  
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延遲選擇實(shí)驗(yàn)的量子版本 -t-tn22  
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近年來，惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)及其各種變體實(shí)驗(yàn)已經(jīng)被付諸實(shí)踐。而馬小松教授團(tuán)隊(duì)所做的工作是最新近的成果。馬小松教授表示：“由于光學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，這些思想實(shí)驗(yàn)都得以一一實(shí)現(xiàn)，而且現(xiàn)在我們還能夠據(jù)此設(shè)計(jì)出更多新更新的實(shí)驗(yàn)�！� @S3f:s0~D
 
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在馬小松教授團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)中，“延遲選擇”思想實(shí)驗(yàn)被設(shè)計(jì)為一個(gè)量子版本。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，單個(gè)光子的粒子態(tài)和波動態(tài)處于相干疊加態(tài)。實(shí)現(xiàn)這一“波－粒疊加狀態(tài)”的關(guān)鍵是通過其它光子的量子態(tài)來控制一個(gè)光子在粒子態(tài)和波動態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。 ;rHO
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但是，這種“量子控制選擇”的方式，必須使控制單元與主實(shí)驗(yàn)區(qū)距離足夠遠(yuǎn)，才能保證其彼此之間沒有相干性。學(xué)界將這一要求稱為“愛因斯坦定域條件”。因此，研究人員將相聯(lián)的設(shè)備安放在相距141米的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室里，保證滿足該條件。這也是目前在愛因斯坦定域條件下實(shí)現(xiàn)的第一個(gè)量子延遲選擇實(shí)驗(yàn)。論文第一作者王凱博士表示：“通過審慎地規(guī)劃設(shè)備位置和校時(shí)，我們實(shí)現(xiàn)了相關(guān)事件在相對論意義上的隔離�！� `u_Qa  
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