【基础物理】中国科学家重要突破：量子螺旋蟠龙证实波函数物理实在性│Science Bulletin

Sci. Bull. 封面文章

中国科学技术大学史保森教授课题组、哈尔滨理工大学朱智涵教授及其合作者首次通过实验证实了波函数的物理实在性。该成果已在Science Bulletin2017年第17期作为封面文章报道。

自量子力学诞生以来，描述系统的波函数及其计算理论始终占据着核心地位。据此理论衍生出了诸如激光、半导体（电脑、手机、…）、核能等高技术，造福人类近一个世纪的文明进步。然而，在过去的百年里人们更多的思考从量子理论的数学计算中能够获取什么，对于隐藏在波粒二象性背后的关键哲学问题——波函数是否描述客观实体“被测量前”的真实存在，至今没有明确答案。

在针对该议题的单光子杨氏双缝实验中，

哥本哈根学派认为

通过“双缝”装置后的光子在接受测量前并不具备明确的属性（波或粒子）。同时，玻尔在描述波粒二象性的互补原理中指出：光子会根据测量装置的情况表现出波动性或粒子性。

以爱因斯坦为代表的实在论者则认为

光子的历史应事先存在且独立于测量，如果量子力学无法给出明确答案，那么说明量子力学只是个唯象理论或是不完备的理论。此外，爱因斯坦等人还指出：如果用波函数来描述粒子系统，客观粒子间将不可避免的发生非定域形式的超距作用，即著名的EPR悖论。

波粒二象性还对现代物理学的另一个支撑性理论“相对论”中的光速带来二元化描述，即描述“波动”波前传播速度的ν_ph和“粒子”能量传播速度（不代表信息速度）的ν_g。需要注意的是真空中ν_ph=ν_g=c只适用于平面波情况，而现实中并不存在完美平面波，物理上存在的“波”必然会ν_g<c。对于结构光场，波矢量的横向分量比常规高斯光束要大的多，其群速度ν_g必将表现出可观测的模式慢光效应。值得注意的是，模式慢光效应能够在光子被测量后，通过到达时间再次调研光子的传播历史。

近期，中国科学技术大学史保森教授课题组、哈尔滨理工大学朱智涵教授及其合作者据此提出了量子螺旋双缝理论及实验方案，并首次通过实验证实了波函数的物理实在性。

该方案的具体思路是：

将预报单光子经“螺旋双缝”装置（空间光调制器）转化为轨道角动量（OAM）自由度下的叠加态；

由于不同OAM模式的群速ν_g不同进而造成不同的到达时间；

选择性地接收某一模式路径到来的单光子（粒子观测方式），再通过双光子Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉测量其到达时间并与接收（测量）到的量子态进行比对，进而验证光子传播历史是否由测量决定。

实验中发现，尽管以“粒子”观测方式选择性接收高斯光子且光子计数信号无干涉现象，但随后光子计数信号与参考光子间HOM干涉表明信号光子在塌缩前的飞行过程中始终处于其波函数描述的波动属性。

该研究首次阐明了光子在测量前的真实传播历史，波函数的非定域性和客观实在性同时得到了证实。同时，该研究还表明测量中的非定域塌缩可导致动力学过程时间反演对称破缺，解答了Loschmidt在量子力学诞生之前就提出的可逆性悖论：如何从时间对称的动力学得到不可逆的结果？为什么动力学理论都是时间反演对称的，而宇宙的时间之矢却永远向前？

此外，研究人员还依据结果绘制了一幅卡通画《量子螺旋蟠龙》向惠勒（曾绘制了著名量子漫画《The great smoky dragon》）等为该量子力学基本问题研究做出过突出贡献的物理学家们致敬。

图1 研究人员绘制的《量子螺旋蟠龙》。图中的阴阳代表螺旋双缝装置，龙的头部与尾部代表量子实体的粒子特性，中间双重身体代表波动特性，底部的乾坤圈代表粒子表象的测量装置。阴阳将龙由粒子性转换为波动性，最后在底部的乾坤圈处再次回归粒子性。真相被长期隐藏的关键在于如果你通过底部乾坤圈向上观测，只能看见龙的一个身体。（作者：高一帆）

图2 惠勒为描述量子力学测量问题而绘制的漫画《The great smoky dragon》

该项目得到国家自然科学基金委员会、中国博士后科学基金会等提供的支持。