摘要：光的轨道角动量状态已被用来将量子不确定性与波粒二象性联系起来。这项实验是由欧洲物理学家完成的，证实了 2014 年的一项理论预测，即对量子物体进行测量时，无论该物体被观察为波、粒子还是介于两者之间的任何状态，都必然会产生最低程度的不确定性。

实验林雪平大学的 Joakim Argillander 和 Daniel Spegel-Lexne 是研究量子不确定性与波粒二象性之间关系的团队的成员。（图片来源：Magnus Johansson/LiU）

光的轨道角动量状态已被用来将量子不确定性与波粒二象性联系起来。这项实验是由欧洲物理学家完成的，证实了 2014 年的一项理论预测，即对量子物体进行测量时，无论该物体被观察为波、粒子还是介于两者之间的任何状态，都必然会产生最低程度的不确定性。

在著名的双缝思想实验中，电子等量子粒子被逐个发射到屏障中的两个相邻缝隙中。随着时间的推移，干涉图样将在屏障后面的探测器上形成。这是量子力学中波粒二象性的一个例子，即每个粒子都以波的形式穿过两个缝隙，并与自身发生干涉。但是，如果观察粒子的轨迹，知道每个粒子穿过哪个缝隙，则看不到干涉图样。自 1970 年代以来，实验室中已经进行了几个不同版本的实验 - 证实了现实的量子性质。

理查德·费曼曾将其描述为“一种不可能、绝对不可能用任何经典方式解释的现象，其中蕴含着量子力学的核心。实际上，它蕴含着[量子力学]唯一的奥秘。”这种现象被称为测量不确定度。

1979 年，威廉·沃特斯 (William Wootters)和他在德克萨斯大学奥斯汀分校的同事沃伊切赫·楚雷克 (Wojciech Zurek)证明，波粒二象性并非非此即彼的现象。相反，我们有可能观察到部分粒子和部分波状行为，并在两者之间进行权衡。

这呼应了量子力学的另一个令人困惑的元素，即准备不确定性。这是维尔纳·海森堡不确定性原理的典型代表。该原理指出，人们无法知道量子物体的位置和动量超过一定精度，而且人们对其中一个了解得越多，另一个就越不确定。

尽管费曼认为量子力学只包含一个真正的谜团，但测量不确定性和制备不确定性之间并没有明显的理论联系。然而，2014 年，新加坡国立大学的帕特里克·科尔斯和同事从理论上证明了两者是等价的。然而，这一点从未得到实验证实。

在这项新研究中，瑞典林雪平大学的Guilherme Xavier和同事着手测试可见性和相反状态的可区分性之间的关系——根据 Coles 的预测，相反状态应该是类似于位置和动量的共轭变量。他们将高度衰减的、大部分为单光子的激光脉冲以两种可能的正交轨道角动量状态通过光纤发送到输入分束器。具有相反角动量的光子通过不同的输出光纤出现。

研究人员随后使用相位调制器为沿其中一条路径传播的光子添加可变相位延迟。然后，他们引导两条路径在第二个可调分束器处再次相遇。

通过在可调分束器前放置第二个调制器，从而调整两条路径相遇的相位，可以调整路径重新组合的程度。这使他们能够控制第二个分束器实际作为分束器的程度。

“当分光器完全插入时，就会得到干涉——这对应于调制器中的π/2值，”Xavier 解释道，“当调制器中的值为零时，上路径将始终通向一个检测器，而下路径将始终通向另一个检测器。”

后一种情况对应于粒子图像，但它没有提供关于特定粒子通过探测器所走路径的信息。获取该信息的唯一方法是完全阻止光的偏振之一进入第二个分束器——相当于在双缝实验中阻挡其中一个狭缝。然而，在这种情况下，一半的光子根本无法被检测到。因此，可区分性和可见性之间存在着无法克服的权衡。他们发现，无论他们选择什么作为相位，测量不确定度都有一个固定的下限，这与科尔斯及其同事在 2014 年提出的理论一致。

林雪平团队计划开发该技术的实际应用。“我们可以非常快速地更改设置，”Xavier 说，“所以我们的目标是研究使用这些类型的测量来实现一些实际的量子通信协议——我们正在研究基于这种设置的一些延迟选择实验。”

巴西圣玛丽亚联邦大学的理论物理学家Jonas Maziero对这项研究印象深刻。“这项实验非常创新，非常精确，与理论非常吻合，并且证实了文献中十多年来的一个重要结果，”他说。

然而，他警告说，这项研究并不能完全证实科尔斯的预测。“（泽维尔及其同事）报告的结果适用于基于可区分性的互补关系，这种关系使用哪条路径探测器来量化量子系统的粒子状行为。还有其他基于可预测性和使用纠缠的关系，不包含在此框架内。”他表示，扩展研究以尝试涵盖所有情况将是有趣的后续工作。

该项研究发表在《科学进展》上。

来源：人工智能学家