利用波函数解锁神秘的量子世界

如果MZI内部的两个子波同相，则在两个子波相遇时插入第二个BS，如（a）中所示，可以产生两个结果子波，如（b）中所示。科学中国出版社

量子力学是现代科学和技术的支柱，已经使人类社会受益了一个世纪。波函数，也称为量子态，是对量子对象的描述，在量子力学中起着核心作用。尽管具有这种重要性，但波函数的本质是什么仍在争论中。到目前为止，对波动函数有几种解释，包括哥本哈根解释，德布罗意的导频解释和多词解释。其中，哥本哈根的解释是一种传统且占主导地位的解释。这样的解释仅将波函数视为一种复杂的概率振幅，用于计算在给定位置找到量子物体的概率。在这种情况下，波动函数是一个纯粹的数学工具，因此仅被认为可以提供现象的知识。但是，对于哥本哈根解释，如何描述量子对象的真实存在是无法实现的。因此，探索波函数的性质对于解锁神秘的量子世界至关重要。

在最近的一项研究中，清华大学物理系研究员桂桂龙（Gui-Lu Long）对波函数提出了一种现实的解释（REIN）。REIN指出，量子物体的波函数是真实存在的，而不仅仅是数学描述，也就是说，空间中的量子物体以波函数的形式存在。为了证明这一点，龙桂露和他的合作者秦伟，杨哲和李俊林分别来自清华大学物理系，设计了一个遇到延迟选择实验，并通过实验实现了该方案。这项题为《量子力学的现实解释和相遇选择实验》的研究已发表在《中国科学物理，力学与天文学》上。

具体来说，在本文中，研究人员表明，量子或微观物体在空间中甚至在某些情况下在空间的不连续区域中具有振幅和相位延伸。波函数模量的平方代表量子物体的空间分布。当进行测量时，根据量子力学中的假设，充满空间的量子物体将瞬间崩溃。在这种情况下，对象的行为就像一个粒子。由于存在相位，两个相干波函数之间的相遇会发生干扰。因此，最终的波函数将在不同的位置发生不同的变化：一些由于相长干涉而得到增强，而另一些由于相消干涉而被抵消。即，这改变了量子物体的空间分布。在这种情况下，对象表现为波浪。

Mach-Zehnder干涉仪（MZI）是两径干涉仪，很好地证明了延迟选择实验。我们的讨论仅限于单个光子被引导到MZI，然后是两个探测器的情况。根据传统观点，MZI内部的单个光子的性质取决于第二个BS是否安装到位。如果第二个BS不存在，则单个光子仅沿一个臂传播，显示出粒子的性质。相反，当我们插入第二个BS时，单个光子沿两个臂移动，显示出波的性质。然而，在REIN中，无论是否插入第二BS，第一BS都将单个光子分成沿两个臂分别行进的两个子波。也就是说，MZI中的光子是同时存在于两个臂上的扩展且分离的对象。在这种解释中，如果不存在第二个BS，则两个子波分别指向两个检测器，并且概率独立于它们的相对相位，测量会将它们折叠成一个检测器中的咔哒声。这就是单光子的粒子性质。此外，第二BS的存在可能导致两个子波发生干扰，而是将两个结果子波分别导向两个检测器。单光子以两个合成子波的形式存在。结果，该测量以一个与相位有关的概率将合成的子波分解为一个检测器中的咔哒声。这就是单光子的波动性质。与传统的解释相反，REIN证明在闭合的MZI中的单个光子与在打开的MZI中的单个光子到达第二个BS之前没有区别。

为了支持这一想法，研究人员还实施了相遇选择（EDC）实验。在这样的实验中，如图1（a）所示，在同时沿着MZI的两个臂传播的两个子波相遇时，决定是否插入第二基站。它与先前（或量子）延迟选择实验不同，后者是在相遇发生之前做出决定的。在EDC情况下，两子波中受第二个BS约束的部分将发生干扰，并且它们的形式会根据相对相位而变化。但是其余部分不受第二个BS的影响，不会发生干扰，其形式不变。因此，单个光子可以分为两个部分，一个部分显示波的性质，另一部分显示粒子的性质。相应地，如图1（b）所示，从MZI离开的子波可以分为两个部分，一个是波性质，另一个是粒子性质。注意，图1（b）显示了MZI内部的两个子波同相的特殊情况。本文中的实验数据与REIN的预测非常吻合，这表明REIN的想法得到了大力支持。

“这个困难与我们对于量子物体的微观物体的刚性粒子的固执概念有关，正如名字“量子粒子”所暗示的那样。四位研究人员写道：“如果我们认为量子物体确实以波函数的形式存在，那么更容易理解这种形式的变化。”

出版物：桂路龙等，“量子力学的现实解释和相遇选择实验”，中国物理学报。机甲。阿斯特隆（2018）doi：10.1007 / s11433-017-9122-2