光的量子干涉： 发现反常的现象
发布时间：2023-06-16 08:00:00 阅读数： 150
反常的束状效应，所有的光子都凝聚成两个输出光束。资料来源：乌苏拉-卡德纳斯-马曼尼
比利时布鲁塞尔自由大学（Université libre de Bruxelles）的三位研究人员发现了光子干涉物理学的一个反直觉的方面。在本月发表在《自然-光子学》上的一篇文章中，他们提出了一个与所谓的光子束缚特性的常识完全相反的思想实验。对这种反常的聚束效应的观察似乎是今天的光子技术所能达到的，如果实现，将对我们对多粒子量子干涉的理解产生强烈的影响。
量子物理学的基石之一是尼尔斯-玻尔的互补性原理，大致上说，物体的行为要么像粒子，要么像波。这两种相互排斥的描述在标志性的双缝实验中得到了很好的说明，在这个实验中，粒子撞击在一个包含两个狭缝的板上。如果不观察每个粒子的轨迹，人们在收集穿过狭缝后的粒子时，会观察到波状的干涉条纹。但是，如果观察轨迹，那么边缘就会消失，一切都会发生，就像我们在经典世界中处理粒子状的球一样。
正如物理学家理查德-费曼（Richard Feynman）所说，干涉条纹源于缺乏 "哪条路径 "的信息，因此，一旦实验允许我们了解到每个粒子采取一种或另一种路径通过左或右狭缝，条纹就必然会消失。
光也没有逃脱这种二元性：它既可以被描述为电磁波，也可以被理解为由以光速飞行的无质量粒子组成，即光子。这就带来了另一个显著的现象：光子束。松散的定义是，如果没有办法区分光子并知道它们在量子干涉实验中遵循哪条路径，那么它们就会倾向于粘在一起。
这种行为已经可以通过两个光子分别撞击半透明镜子的一个侧面来观察到，它将进入的光分成与反射光和透射光相关的两条可能的路径。事实上，著名的Hong-Ou-Mandel效应告诉我们，两个流出的光子总是在镜子的同一侧一起离开，这是它们的路径之间的波状干涉的结果。
在经典的世界观中，我们不能理解这种束缚效应，因为我们认为光子是经典的球，每个光子都有一条明确的路径。因此，从逻辑上讲，一旦我们能够区分光子并追溯它们所走的路径，预计束缚就会变得不那么明显了。这正是人们在实验中观察到的，如果半透明镜上的两个入射光子有不同的偏振或不同的颜色：它们表现得像经典的球，不再聚集。人们普遍承认，光子束缚和可区分性之间的这种相互作用反映了一个一般规则：束缚对于完全不可区分的光子来说一定是最大的，而当光子被变得越来越可区分时，束缚就会逐渐下降。
与此相反，这个常见的假设最近被来自布鲁塞尔自由大学Ecole polytechnique de Bruxelles的量子信息和通信中心的一个团队证明是错误的，该团队由Nicolas Cerf教授领导，由他的博士生Benoît Seron和他的博士后Leonardo Novo博士（现在是葡萄牙国际伊比利亚纳米技术实验室的工作人员）协助。
他们考虑了一个具体的理论方案，即七个光子冲击一个大型干涉仪，并探测了所有光子束缚在干涉仪的两个输出路径中的情况。从逻辑上讲，当所有七个光子都承认相同的偏振时，束缚应该是最强的，因为它使它们完全无法区分，这意味着我们无法得到它们在干涉仪中的路径信息。令人惊讶的是，研究人员发现存在一些情况，在这些情况下，通过精心选择的偏振模式使光子的束缚大大加强，而不是减弱。
比利时团队利用了量子干扰物理学和永久物数学理论之间的联系。通过利用一个新近被推翻的关于矩阵永久物的猜想，他们可以证明有可能通过微调光子的偏振来进一步加强光子束。除了对光子干涉的基本物理学有吸引力之外，这种反常的束状现象应该对量子光子技术有影响，而量子光子技术在最近几年已经显示出快速的进展。
旨在建立光量子计算机的实验已经达到了前所未有的控制水平，许多光子可以被创造出来，通过复杂的光学电路进行干扰，并通过光子数量分辨探测器进行计数。因此，了解与光子的量子玻色性相关的光子束的微妙之处，是这个角度的重要一步。
参考资料
Boson bunching is not maximized by indistinguishable particles, Nature Photonics (2023). www.nature.com/articles/s41566-023-01213-0
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