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

量子理論出現(xiàn)后，人們開始意識(shí)到光可以是一個(gè)相互矛盾的量子實(shí)體，即它可以是波或者粒子，取決于具體的實(shí)驗(yàn)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(xué)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(shí)也啟發(fā)了量子力學(xué)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(dǎo)致了一種常識(shí)性的看法，即波動(dòng)屬性和粒子屬性在一個(gè)量子實(shí)體中同時(shí)共存。

波粒二象性似乎告訴我們，波動(dòng)性與粒子性這兩個(gè)物理屬性是相互綁定在一起，因此不能在一個(gè)量子實(shí)體中被拆分。這就引起了一個(gè)根本問題：人們能否*分離單個(gè)光子的波動(dòng)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(xué)院的P. Chowdhury、哈里什-錢德拉研究所的A. K. Pati教授和南開大學(xué)的陳景靈教授提出了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，用以展示單個(gè)光子的波動(dòng)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(tuán)隊(duì)首先使用波粒盒子來產(chǎn)生單個(gè)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(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置包括改進(jìn)的馬赫-曾德爾干涉儀，人們可以通過選擇合適的預(yù)選和后選狀態(tài)來計(jì)算某些可觀察量的弱值。研究團(tuán)隊(duì)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(jìn)的馬赫-曾德爾干涉儀中實(shí)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(bǔ)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(yīng)用價(jià)值。

陳景靈教授認(rèn)為，拆分波粒二象性是量子基礎(chǔ)的一個(gè)重要貢獻(xiàn)，其將激發(fā)一些新的實(shí)驗(yàn)研究。例如，當(dāng)采用“純粒子特性”的光進(jìn)行楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)時(shí)，屏幕上的干涉條紋是否會(huì)消失；同時(shí)，當(dāng)采用具有“純粒子特性”的電子進(jìn)行相應(yīng)的衍射實(shí)驗(yàn)時(shí)，電子的衍射效應(yīng)是否會(huì)消失。

Pati教授認(rèn)為可以在后續(xù)工作中實(shí)施一個(gè)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(gè)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(jìn)一步考慮三方分離，即量子物體本身、波動(dòng)屬性和粒子屬性之間的三方分離。一旦實(shí)現(xiàn)這樣的分離，那么人們將獲得量子的“超級柴郡貓”。