波動性與粒子性是大自然的兩個基本屬性。關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境。這種令人驚訝的現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，此天才的思想*改變了我們對物理世界的看法，同時也啟發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生單個光子的波粒疊加狀態，然后根據量子柴郡貓的類似技術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來計算某些可觀察量的弱值。研究團隊發現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了波粒屬性的空間分離。

此外，他們還發現，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和量子通信領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的一個重要貢獻，其將激發一些新的實驗研究。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。一旦實現這樣的分離，那么人們將獲得量子的“超級柴郡貓”。