新实验展示了光子如何在干涉仪中通过多重路径传播

技术研究 QuantumWire 2026-04-01 16:32
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2026年3月23日——量子粒子的本质长久以来困扰着科学界。虽然单粒子干涉现象表明光子可以表现出弥散波特性,但我们每次检测到的都是一个完整光子出现在特定位置。传统量子力学解释常通过“粒子同时处于此处与彼处的叠加态”来应对这一悖论,但这仅能说明测量时粒子的位置,无法揭示无探测器时粒子的物理存在状态。

广岛大学先进科学与工程研究生院的Holger F. Hofmann教授领导的研究团队,现已开发出一种能在不干扰光子波动路径的前提下测量其非定域性的新方法。

在2026年3月23日发表于《新物理学杂志》的研究中,该团队将改良版“弱测量”技术应用于双路径干涉仪。当光子行进时,研究人员在一条路径施加正角度微旋转,另一路径施加负角度旋转。若两路径在输出端发生干涉,平均旋转角度恒为零——但这仅是统计平均值。为识别单个光子的角度变化,该团队观测了正交偏振量子跃迁率:跃迁速率取决于旋转角度的平方值,这个平方值能揭示光子是否仅存在于单一路径。

根据经典物理法则,单个粒子作为实体物体每次只能处于一处,理应要么在路径A(+1)要么在路径B(-1),两种情况下平方值均为1。但实验数据却显示出不符合二分模型的数值,证明光子的物理存在同时分布于双路径,直至探测器迫使其坍缩至单一位置。

这项发现对高科技传感器具有重大意义:在量子领域,叠加态物理量的不确定性反而成为优势,使研究人员在GPS、原子钟或深空通信等超精密测量中,能实现超越单粒子传统极限的相位灵敏度。

该研究还深刻改变了人类对宇宙本质的认知。日常生活中我们认为“月亮不看也在”,是因为月球持续与环境(阳光、引力等)相互作用而“容易被观测”。但在光子微观世界中,粒子几乎不与环境发生可记录的相互作用。Hofmann团队指出:现实并非独立于观测者的固定存在。

“人们总下意识认为物体可以不费力气地被看见,”Hofmann解释道,“微观物体与环境几乎不发生可记录的相互作用。我们的结果表明:宏观世界易于观测,但在微观世界,必须学会区分'真实存在'与'测量定义的现实'。”