波動性與粒子性是大自然的兩個基本屬性。關(guān)于光是波還是粒子的爭論是一個古老的問題。例如，牛頓認為光是一個粒子，而惠更斯、托馬斯·楊、麥克斯韋等人則認為光是一個波。

量子理論出現(xiàn)后，人們開始意識到光可以是一個相互矛盾的量子實體，即它可以是波或者粒子，取決于具體的實驗環(huán)境。這種令人驚訝的現(xiàn)象就是的光的波粒二象性原理。

1923年，法國物理學家路易斯·德布羅意大膽地將波粒二象性從光推廣到任意其他物質(zhì)，此天才的思想*改變了我們對物理世界的看法，同時也啟發(fā)了量子力學基本方程的建立，即薛定諤方程。如今，波粒二象性已經(jīng)深深扎根于人們的心中。它導致了一種常識性的看法，即波動屬性和粒子屬性在一個量子實體中同時共存。

波粒二象性似乎告訴我們，波動性與粒子性這兩個物理屬性是相互綁定在一起，因此不能在一個量子實體中被拆分。這就引起了一個根本問題：人們能否*分離單個光子的波動性與和粒子性，從而成功拆分波粒二象性？

為了解決上述問題，印度理工學院的P. Chowdhury、哈里什-錢德拉研究所的A. K. Pati教授和南開大學的陳景靈教授提出了一個思想實驗，用以展示單個光子的波動性與粒子性可以在空間中分離。這一重大成果作為封面文章發(fā)表于Photonics Research 2021年第9卷第7期。

拆分波粒二象性

為了展示這種分離，該研究團隊首先使用波粒盒子來產(chǎn)生單個光子的波粒疊加狀態(tài)，然后根據(jù)量子柴郡貓的類似技術(shù)設計了一個實驗裝置。量子柴郡貓是一種量子悖論，其表示貓（量子物體）和它的笑容（物理屬性）可以在空間中分離。

此研究工作所提議的實驗裝置包括改進的馬赫-曾德爾干涉儀，人們可以通過選擇合適的預選和后選狀態(tài)來計算某些可觀察量的弱值。研究團隊發(fā)現(xiàn)光的粒子特性在干涉儀的左臂為零，而波的特性在右臂為零，從而在改進的馬赫-曾德爾干涉儀中實現(xiàn)了波粒屬性的空間分離。

此外，他們還發(fā)現(xiàn)，雖然光的波粒二象性被打破，但在波粒屬性空間分離的情況下互補性原理仍然成立。該研究成果在量子基礎(chǔ)和量子通信領(lǐng)域具有潛在的應用價值。

陳景靈教授認為，拆分波粒二象性是量子基礎(chǔ)的一個重要貢獻，其將激發(fā)一些新的實驗研究。例如，當采用“純粒子特性”的光進行楊氏雙縫實驗時，屏幕上的干涉條紋是否會消失；同時，當采用具有“純粒子特性”的電子進行相應的衍射實驗時，電子的衍射效應是否會消失。

Pati教授認為可以在后續(xù)工作中實施一個有趣的提議。對于量子柴郡貓來說，它意味著量子物體與其物理特性之間的雙方分離。對于拆分波粒二象性而言，它表示量子物體中兩個物理特性之間的雙方分離。通過聯(lián)合量子柴郡貓以及波粒二象性的拆分，人們可以進一步考慮三方分離，即量子物體本身、波動屬性和粒子屬性之間的三方分離。一旦實現(xiàn)這樣的分離，那么人們將獲得量子的“超級柴郡貓”。