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【中國科學报】实验首次揭示“量子柴郡猫”的量子特性

2020-06-29 中國科學报 杨凡 桂运安
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  中國科學技術大學郭光灿院士团队李传锋、许金时、许小冶等人与南开大学教授陈景灵合作,首次实现光子的偏振与其本体分离,揭示了“量子柴郡猫”的独特量子特性。该成果近日发表于《自然—通讯》,加深了人们对“什么是物理实在”这一物理学基本问题的认识。

  “柴郡貓”是童話《愛麗絲夢遊仙境》中一只咧著嘴笑的貓,它(本體)可以憑空消失,但笑容(屬性)還挂在半空中。經典世界中,物體的物理屬性如質量、體積等,與物體的本體不可分離。然而,在量子世界,電子的電荷和自旋、光子的偏振等可以與其本體分離,這種現象被阿哈羅諾夫等人稱爲“量子柴郡貓”。此前,實驗物理學家在中子和光子幹涉實驗中觀察到粒子屬性與其本體分離的現象。但想展示“量子柴郡貓”的獨特量子效應,需要進行更複雜的實驗。

  李傳鋒研究組首次利用雙光子系統,展示了兩只“量子柴郡貓”交換笑臉這一獨特量子效應。實驗中需要利用弱值表征柴郡貓(本體)和笑臉(屬性)的位置,然而多體量子系統弱值的提取是個難題。研究組證明通過對系統施加微擾可以繞過傳統的弱測量方法,利用系統探測概率與微擾強度之間的內在聯系,可以直接得到所需要的弱值。研究組制備出雙光子超糾纏態,隨後通過虛時演化在系統中引入微擾,獲得光子的路徑和偏振觀測量的弱值。通過這些弱值,實驗觀測到兩光子都處于偏振屬性和光子本體分離的狀態,並且最後各自得到了另一光子的偏振,實現了兩只“量子柴郡貓”的無接觸笑臉互換。

  該成果展示了量子世界中物質與其物理屬性靈活多變的關系。審稿人認爲,該成果是理解量子力學基礎問題及量子系統如何從根本上區別于經典系統的重要一步;首次展示了從未謀面的光子之間的屬性交換,是一個裏程碑。

  相关論文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-020-16761-0

  (原载于《中國科學报》 2020-06-29 第1版 要闻)
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