布魯塞爾自由大學布魯塞爾理工學院量子信息與通信中心的科學家們在最近發(fā)表在《自然-光子學》（Nature Photonics）上的一篇論文中報告，他們發(fā)現(xiàn)了一個意想不到的反例，挑戰(zhàn)了人們對光子束的傳統(tǒng)理解。

所有光子凝聚成兩束輸出光束的反常束集效應。圖片來源：Ursula Cardenas Mamani

尼爾斯-玻爾的互補性原理是量子物理學中的一個基本概念，其本質是物體既可以表現(xiàn)出類似粒子的行為，也可以表現(xiàn)出類似波的行為。這兩種相互排斥的描述在標志性的雙縫實驗中得到了很好的詮釋。在雙縫實驗中，粒子撞擊在一個包含兩個狹縫的板上。

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如果不觀察每個粒子的運動軌跡，當粒子穿過狹縫后被收集起來時，就會觀察到波狀干涉條紋。相反，如果觀察粒子的軌跡，那么干涉條紋就會消失，一切就像我們在經典世界中處理粒子球一樣。

正如物理學家理查德-費曼（Richard Feynman）所說，干涉條紋源于缺乏哪條路徑的信息，因此，一旦實驗讓我們知道每個粒子通過了左狹縫或右狹縫中的一條或另一條路徑，條紋就必然消失。

光也無法擺脫這種二元性：它既可以被描述為電磁波，也可以被理解為由以光速運動的無質量粒子（即光子）組成。隨之而來的是另一個顯著現(xiàn)象：光子束化。寬泛地說，如果在量子干涉實驗中無法區(qū)分光子并知道它們的運動軌跡，那么它們就會趨向于粘在一起。

這種行為在兩個光子分別撞擊半透明鏡面的一側時就能觀察到，半透明鏡面會將入射光分成與反射光和透射光相關的兩條可能路徑。事實上，著名的"虹歐-曼德爾效應"（Hong-Ou-Mandel effect）告訴我們，兩個出射光子總是一起從鏡子的同一側射出，這是它們的路徑之間產生波狀干涉的結果。

在經典世界觀中，我們將光子視為經典的球，每個光子都有明確的路徑，而這種串擾效應是無法理解的。因此，從邏輯上講，一旦我們能夠分辨光子并追溯它們的路徑，束光效應就會變得不那么明顯。

如果半透明鏡面上的兩個入射光子具有不同的偏振或不同的顏色，這正是我們在實驗中觀察到的現(xiàn)象：它們的行為就像經典球一樣，不再發(fā)生束集。人們普遍認為，光子束集與可分辨性之間的這種相互作用反映了一個普遍規(guī)律：對于完全不可分辨的光子，束集必須達到最大值，而當光子變得越來越可分辨時，束集就會逐漸減小。

最近，尼古拉斯-瑟夫（Nicolas Cerf）教授領導的量子信息與通信中心（布魯塞爾自由大學布魯塞爾理工學院）團隊，在其博士生伯努瓦-塞?。˙eno?t Seron）和博士后萊昂納多-諾沃（Leonardo Novo）博士（現(xiàn)任葡萄牙伊比利亞國際納米技術實驗室研究員）的協(xié)助下證明了這一普遍假設是錯誤的。

他們考慮了一個特定的理論場景，即七個光子撞擊一個大型干涉儀，并探測了所有光子束入干涉儀兩條輸出路徑的情況。從邏輯上講，當所有七個光子都接受相同的偏振時，束集現(xiàn)象應該是最強烈的，因為這使得它們完全無法區(qū)分，這意味著我們無法獲得它們在干涉儀中的路徑信息。令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，在某些情況下，通過精心選擇的偏振模式使光子部分可區(qū)分，光子束縛會大大加強，而不是削弱。

比利時團隊利用了量子干涉物理學與永恒性數(shù)學理論之間的聯(lián)系。通過利用一個新近被推翻的關于矩陣永久性的猜想，他們可以證明，有可能通過微調光子的偏振來進一步增強光子束。

除了對光子干涉的基礎物理學具有啟發(fā)意義外，這種反常束集現(xiàn)象還對量子光子技術產生了影響，近年來量子光子技術取得了快速發(fā)展。

旨在構建光量子計算機的實驗已經達到了前所未有的控制水平，可以產生許多光子，通過復雜的光路進行干涉，并用光子數(shù)分辨探測器進行計數(shù)。因此，了解與光子的量子玻色性有關的光子束的微妙之處，是實現(xiàn)這一目標的重要一步。

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