挑战常识：科学家发现意想不到的量子干涉反常现象

布鲁塞尔自由大学布鲁塞尔理工学院量子信息与通信中心的科学家们在最近发表在《自然-光子学》（Nature Photonics）上的一篇论文中报告，他们发现了一个意想不到的反例，挑战了人们对光子束的传统理解。

所有光子凝聚成两束输出光束的反常束集效应。图片来源：Ursula Cardenas Mamani

尼尔斯-玻尔的互补性原理是量子物理学中的一个基本概念，其本质是物体既可以表现出类似粒子的行为，也可以表现出类似波的行为。这两种相互排斥的描述在标志性的双缝实验中得到了很好的诠释。在双缝实验中，粒子撞击在一个包含两个狭缝的板上。

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如果不观察每个粒子的运动轨迹，当粒子穿过狭缝后被收集起来时，就会观察到波状干涉条纹。相反，如果观察粒子的轨迹，那么干涉条纹就会消失，一切就像我们在经典世界中处理粒子球一样。

正如物理学家理查德-费曼（Richard Feynman）所说，干涉条纹源于缺乏哪条路径的信息，因此，一旦实验让我们知道每个粒子通过了左狭缝或右狭缝中的一条或另一条路径，条纹就必然消失。

光也无法摆脱这种二元性：它既可以被描述为电磁波，也可以被理解为由以光速运动的无质量粒子（即光子）组成。随之而来的是另一个显著现象：光子束化。宽泛地说，如果在量子干涉实验中无法区分光子并知道它们的运动轨迹，那么它们就会趋向于粘在一起。

这种行为在两个光子分别撞击半透明镜面的一侧时就能观察到，半透明镜面会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"虹欧-曼德尔效应"（Hong-Ou-Mandel effect）告诉我们，两个出射光子总是一起从镜子的同一侧射出，这是它们的路径之间产生波状干涉的结果。

在经典世界观中，我们将光子视为经典的球，每个光子都有明确的路径，而这种串扰效应是无法理解的。因此，从逻辑上讲，一旦我们能够分辨光子并追溯它们的路径，束光效应就会变得不那么明显。

如果半透明镜面上的两个入射光子具有不同的偏振或不同的颜色，这正是我们在实验中观察到的现象：它们的行为就像经典球一样，不再发生束集。人们普遍认为，光子束集与可分辨性之间的这种相互作用反映了一个普遍规律：对于完全不可分辨的光子，束集必须达到最大值，而当光子变得越来越可分辨时，束集就会逐渐减小。

最近，尼古拉斯-瑟夫（Nicolas Cerf）教授领导的量子信息与通信中心（布鲁塞尔自由大学布鲁塞尔理工学院）团队，在其博士生伯努瓦-塞隆（Benoît Seron）和博士后莱昂纳多-诺沃（Leonardo Novo）博士（现任葡萄牙伊比利亚国际纳米技术实验室研究员）的协助下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，并探测了所有光子束入干涉仪两条输出路径的情况。从逻辑上讲，当所有七个光子都接受相同的偏振时，束集现象应该是最强烈的，因为这使得它们完全无法区分，这意味着我们无法获得它们在干涉仪中的路径信息。令人惊讶的是，研究人员发现，在某些情况下，通过精心选择的偏振模式使光子部分可区分，光子束缚会大大加强，而不是削弱。

比利时团队利用了量子干涉物理学与永恒性数学理论之间的联系。通过利用一个新近被推翻的关于矩阵永久性的猜想，他们可以证明，有可能通过微调光子的偏振来进一步增强光子束。

除了对光子干涉的基础物理学具有启发意义外，这种反常束集现象还对量子光子技术产生了影响，近年来量子光子技术取得了快速发展。

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，通过复杂的光路进行干涉，并用光子数分辨探测器进行计数。因此，了解与光子的量子玻色性有关的光子束的微妙之处，是实现这一目标的重要一步。

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