波粒二象性的实验证实

　　两个SPDC晶体，PPLN1和PPLN2，分别由相同的泵浦和种子相干激光器泵浦和播种，导致发射两个信号光子s1或s2在PD处进行量子干涉检测。然后，共轭惰模i1和i2提供了哪个路径(或哪个源)信息，其中可控源纯度是由其中一个惰模的SPACS与另一个惰模的不变相干态之间的重叠决定的。两个空闲场可以由检测器DA和DB独立检测。资料来源:基础科学研究所
　　21世纪无疑是量子科学的时代。量子力学诞生于20世纪初，被用于发展量子信息、量子通信、量子计量、量子成像、量子传感等前所未有的技术。但在量子科学中，波粒二象性与互补、波函数的叠加、量子测量后的波函数坍缩、复合波函数的波函数纠缠等问题仍是未解决甚至无法理解的。
　　为了定量地检验波粒二象性和互补性的基本原理，需要一个可以由实验参数控制的量子复合系统。到目前为止，在尼尔斯·玻尔于1928年提出＂互补＂概念后，已经有了几个理论建议，但只有少数想法得到了实验验证，它们可以在低能见度下检测干涉图样。因此，互补性和波粒二象性的概念仍然是难以捉摸的，而且还没有在实验中得到完全的证实。
　　为了解决这个问题，基础科学研究所(IBS，韩国)的一个研究小组构建了一个双路干涉仪，由两个由相干空转场播种的参数下转换晶体组成，如图1所示。该装置产生用于量子干涉测量的相干信号光子(量子)。量子在到达探测器之前沿着两条不同的路径行进。利用共轭空转场提取路径信息，具有可控的保真度，有助于定量说明互补关系。
　　(A) P2 + V2 = μs2与γ = α2 / α1 和α2 的数量互补关系。其中路径可预见性P表示双路干涉仪中量子的类粒子行为，而条纹可见性V表示量子的类波行为。互补性的总和受源纯度的限制。(B)量子(信号光子)的源纯度μs和量子与哪个路径(哪个源)探测器之间的纠缠E形成另一个互补关系μs2 + E2 = 1。这两个度量值是根据γ = α2 / α1 和 α = α2 绘制的。资料来源:基础科学研究所
　　在真实的实验中，量子的来源并不纯粹，因为它与剩余的自由度纠缠在一起。然而，量子源纯度被生成的量子与其他所有剩余自由度之间的纠缠紧紧束缚，这一关系为μs = (1-E2)，研究人员在实验中证实了这一点。
　　P2 + V2 = μs2 (P，先验可预见性;利用该纠缠非线性双光子源(ENBS)系统，分析和测试了量子叠加态与共轭空转态以可控方式量子力学纠缠。结果表明，先验可预测性、可见性、纠缠性(因此，ENBS模型中的源纯度和保真度)严格依赖于种子束光子数。这表明了该方法在制备远距离纠缠光子态方面的潜在应用。
　　蓝点是从该团队最近的论文中获得的实验数据。在整个γ和|α|范围内，实验数据与能见度V吻合，而不是先验的能见度V0。这张图验证了该小组根据波粒二象性和定量互补关系对ENBS实验结果的分析。资料来源:基础科学研究所
　　理查德·费曼(Richard Feynman)曾经说过，解决量子力学的难题在于对双缝实验的理解。预计基于ENBS的双路干涉测量实验的解释将对定量地更好地理解互补原理和波粒二象性关系具有重要意义。
　　这项研究发表在《科学进展》杂志上。