光的量子干涉发现异常现象

比利时布鲁塞尔自由大学的三位研究人员发现了光子干涉物理学中一个违反直觉的方面。在本月发表在《自然光子学》(NaturePhotonics)上的一篇文章中，他们提出了一个思想实验，该实验与关于所谓的光子聚束特性的常识完全矛盾。对这种异常聚束效应的观察似乎是当今光子技术所能达到的，如果实现了，将对我们对多粒子量子干涉的理解产生重大影响。

NielsBohr的互补性原理是量子物理学的基石之一，粗略地说，该原理指出物体的行为既可以像粒子，也可以像波。这两个相互排斥的描述在标志性的双缝实验中得到了很好的说明，其中粒子撞击包含两个狭缝的板。如果不观察每个粒子的运动轨迹，通过狭缝收集粒子时会观察到波浪状的干涉条纹。但如果观察轨迹，那么边缘就会消失，一切都会发生，就好像我们在经典世界中处理类粒子球一样。

正如物理学家理查德·费曼所创造的那样，干涉条纹起源于“哪条路径”信息的缺失，因此一旦实验让我们了解到每个粒子都采取了一条或另一条路径，干涉条纹必然会消失左缝或右缝。

光并没有逃脱这种二元性：它既可以被描述为电磁波，也可以被理解为由以光速传播的无质量粒子组成，即光子。这伴随着另一个显着现象：光子聚束。松散地定义，如果没有办法区分光子并知道它们在量子干涉实验中遵循哪条路径，那么它们往往会粘在一起。

这种行为已经可以通过两个光子在半透明镜的一侧撞击每个光子来观察到，该半透明镜将入射光分成与反射光和透射光相关的两条可能路径。事实上，著名的Hong-Ou-Mandel效应在这里告诉我们，两个出射光子总是在镜子的同一侧一起出射，这是它们路径之间波状干涉的结果。

在我们将光子视为经典球的经典世界观中，无法理解这种聚束效应，每个球都走着明确的路径。因此，从逻辑上讲，一旦我们能够区分光子并追溯它们所走的路径，聚束就会变得不那么明显。如果半透明镜上的两个入射光子具有例如不同的偏振或不同的颜色，这正是人们通过实验观察到的：它们表现得像经典的球，不再聚在一起。光子聚束和可区分性之间的这种相互作用通常被认为反映了一个一般规则：对于完全无法区分的光子，聚束必须最大，并且当光子变得越来越可区分时，聚束必须逐渐下降。

尽管困难重重，这一普遍假设最近被布鲁塞尔理工学院量子信息与通信中心的一个团队证明是错误的，布鲁塞尔自由大学由NicolasCerf教授领导，并得到他的博士学位的协助。学生BenoitSeron和他的博士后LeonardoNovo博士，现在是葡萄牙国际伊比利亚纳米技术实验室的研究员。

他们考虑了一个特定的理论场景，其中七个光子撞击一个大型干涉仪，并探测了所有光子聚集到干涉仪的两个输出路径中的情况。当所有七个光子都接受相同的极化时，聚束在逻辑上应该是最强的，因为这使它们完全无法区分，这意味着我们无法在干涉仪中获得有关它们路径的信息。非常令人惊讶的是，研究人员发现了一些实例，通过精心选择的偏振模式使光子部分可区分，光子聚束得到了显着加强——而不是减弱。

比利时团队利用了量子干涉物理学与永久物数学理论之间的联系。通过利用关于矩阵永久物的新推翻的猜想，他们可以证明可以通过微调光子的偏振来进一步增强光子聚束。除了对光子干涉的基础物理学感兴趣之外，这种反常的聚束现象还应该对近年来取得快速进展的量子光子技术产生影响。

旨在构建光量子计算机的实验已达到前所未有的控制水平，可以产生许多光子，通过复杂的光学电路进行干涉，并用光子数分辨探测器进行计数。因此，理解与光子的量子玻色子性质相关的光子聚束的微妙之处，是从这个角度迈出的重要一步。