光的量子干涉：发现反常现象

图：所有光子聚合成两个输出光束的反常聚束效应。资料来源：Ursula Cardenas Mamani

       Université libre de Bruxelles, Belgium的三名研究人员发现了光子干涉物理学中一个反常现象。在本月发表在Nature Photonics上的一篇文章中，他们提出了一个思想实验，这与关于所谓光子聚束特性的常识完全矛盾。对这种反常聚束效应的观察，如果实现，将对我们对多粒子量子干涉的理解产生强烈影响。

       量子物理学的基石之一是Niels Bohr互补原理，粗略地说，该原理指出物体的行为可能像粒子或波。这两种相互排斥的描述在标志性的双狭缝实验中得到了很好的说明，在该实验中，粒子撞击在包含两个狭缝的板上。如果不观察每个粒子的轨迹，则在通过狭缝收集粒子时会观察到波状干涉条纹。但如果观察轨迹，那么条纹就会消失，一切都会发生，就好像我们在处理经典世界中的类粒子球一样。

       正如物理学家Richard Feynman所创造的那样，干涉条纹源于缺乏“哪条路径”信息，因此一旦实验让我们了解到每个粒子都通过了左狭缝或右狭缝的一条或另一条路径，干涉条纹就必然会消失。

       光也有这种双重性：它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。这伴随着另一个显著的现象：光子聚束。松散地定义，如果在量子干涉实验中无法区分光子并知道它们遵循哪条路径，那么它们往往会粘在一起。

       这种行为已经可以在两个光子分别撞击半透明反射镜一侧的情况下观察到，半透明反射镜将入射光分为与反射光和透射光相关的两个可能路径。事实上，著名的Hong–Ou–Mandel效应告诉我们，两个光子总是一起在镜子的同一侧退出，这是它们路径之间的类波干涉的结果。

       这种聚束效应在我们将光子视为经典球的经典世界观中是无法理解的，每个球都有一条明确的路径。因此，从逻辑上讲，一旦我们能够区分光子并追踪它们所走的路径，预计聚束就会变得不那么明显。例如，如果半透明反射镜上的两个入射光子具有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，不再聚集。光子聚束和可分辨性之间的这种相互作用通常被认为反映了一个一般规则：对于完全不可分辨的光子，聚束必须是最大的，并且当光子变得越来越可分辨时，聚束会逐渐减少。

       尽管困难重重，最近，一个团队证明了这一普遍假设是错误的。

       他们考虑了一个特定的理论场景，即七个光子撞击一个大型干涉仪，并探索了所有光子聚集在干涉仪的两个输出路径中的情况。从逻辑上讲，当所有七个光子都具有相同的偏振时，聚束应该是最强的，因为这使它们完全无法区分，这意味着我们在干涉仪中无法获得关于它们路径的信息。令人惊讶的是，研究人员发现，在某些情况下，光子聚束通过精心选择的偏振模式使光子部分可区分，从而大大增强而不是减弱。

       团队利用了量子干涉物理学和永磁体数学理论之间的联系。通过利用一个关于矩阵永磁体的新的反证猜想，他们可以证明通过微调光子的偏振来进一步增强光子聚束是可能的。除了对光子干涉的基本物理很感兴趣之外，这种反常的聚束现象还应该对近年来进展迅速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经达到了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扰，并用光子数分辨探测器进行计数。因此，理解光子聚束的微妙之处，这与光子的量子玻色子性质有关，是从这个角度迈出的重要一步。

1. Boson bunching is not maximized by indistinguishable particles, Nature Photonics (2023). www.nature.com/articles/s41566-023-01213-0