我国学者揭示“量子柴郡猫”独特量子特性

摘要:

量子力学中的思想实验“薛定谔的猫”已在学术界广为人知,近年来国际科学界又提出一个前沿概念叫“量子柴郡猫”。近期,中国科学技术大学郭光灿院士团队与南开大学学者合作,首次实现了光子的偏振与其本体分离,进而实现两个光子偏振的无接触交换,实验揭示了“量子柴郡猫”的独特量子特性,加深了人们对“什么是物理实在”这一物理学基本问题的认识。

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在宏观的经典世界中,物体的物理属性比如质量、体积等,与物体本身不可分离,但在微观的量子世界里则有所不同。2013年国际科学界有理论研究表明,微观粒子的物理属性(如电子的电荷和自旋、光子的偏振等)可以与其本体分离,多位知名学者将这种现象命名为“量子柴郡猫”。

柴郡猫是儿童文学名著《爱丽丝梦游仙境》中一只会咧着嘴笑的猫,它的身体可以凭空消失,但笑容还挂在半空中。国际科学界在中子和光子的干涉实验中,观察到粒子属性与其本体分离的现象,但要想展示“量子柴郡猫”的独特量子效应,还需要更复杂的实验。

近期,中科大郭光灿院士团队中的李传锋、许金时、许小冶等人与南开大学陈景灵教授合作,首次利用双光子系统实现了两只“量子柴郡猫”交换笑脸。

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他们使用对系统施加微扰的新方法,解决了多体量子系统弱值提取的难题,并制备出双光子超纠缠态,获得光子的路径和偏振观测量的弱值。实验观测到两光子都处于偏振属性和光子本体分离的状态,并各自得到了另一光子的偏振,实现了两只“量子柴郡猫”的无接触笑脸互换。

该研究成果展示了量子世界中物质与其物理属性灵活多变的关系,加深了人们对“什么是物理实在”这一物理学基本问题的认识。另一方面,引入微扰获得弱值的方法也将成为研究量子物理的有力工具。

国际权威学术期刊《自然·通讯》日前发表了这项研究成果,审稿人评价这是“一个里程碑”,是理解量子力学基础问题的重要进展。

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