【物理科普】实验表明，量子不确定性与波粒二象性是等价的

波粒二象性和量子不确定性是量子力学中的两个基本概念。2014年，一组研究人员在直觉的指引下，从理论上证明，这两个曾被认为是量子世界的两个不同特征，实则是同一事物的不同表现。

现在，在一项新发表于《科学进展》杂志的研究中，物理学家通过实验证明了波粒二象性和熵不确定性关系的等效性，成功证实了这个在十年前提出的理论预测。

  最小程度的不确定性  

相信许多人都听说过，光既可以是粒子，也可以是波。事实上，除了光子之外，电子和其他基本粒子也能表现出这种波粒二象性。但我们无法在同一次测量中同时观察到同一个光子的波动性和粒子性。

根据测量方式的不同，光子会呈现出波的特性或粒子的特性之一。这被称为互补原理，由玻尔（Niels Bohr）在20世纪20年代提出，它表明，无论选择测量什么，波动性和粒子性的组合都是恒定不变的。

2014年，新加坡国立大学的一个研究团队从数学上证明，互补原理与量子系统中的未知信息程度——熵不确定性——之间存在直接联系。这一联系意味着，无论我们从量子系统中观察到的是波动性特征还是粒子性特征，都会存在至少一比特的“未知信息”。

换言之，2014年的研究提出了一个理论预测，即当对一个量子物体进行测量时，无论该物体是作为波、粒子还是介于两者之间的任何形式被观察到，都必须始终产生最小程度的不确定性。

然而，这种联系尚未得到实验验证。

  分束的程度  

在新的研究中，研究人员利用光的“轨道角动量”，对新加坡研究团队的理论进行了检验。

在新实验装置中，他们使用沿圆周运动向前传播的光子，这些光子具有轨道角动量。与更常见的上下振荡运动不同，轨道角动量使得光子能够携带更多信息，从而能为未来的实际应用提供可能。

研究人员是在一种被称为干涉仪的仪器中进行测量的。他们先是将高度衰减的、大部分为单光子的激光脉冲以两种可能的轨道角动量状态，沿着干涉仪中的光纤发送到一个分束器；这个分束器会将具有相反角动量的光子分成两条路径。

接着，研究人员会使用一个相位调制器，为沿其中一条路径行进的光子增加一个可变的相位延迟；然后，两条路径上的光子会在第二个可调谐的分束器处再次相遇。通过在可调谐分束器之前放置调制器，就可以调节两条路径相遇的相位，进而就有可能调节两条路径重组的程度。

这使得研究人员能够控制第二个分束器的“分束程度”：当这个分束器被“完全插入”时，就能得到干涉效应（波动性）；当调制器的值被调节到0时，则会使一条路径始终指向一个探测器，而另一条路径始终指向另一个探测器（粒子性）。

但在粒子性的情况下，它并不能提供关于特定粒子通过探测器的路径信息。获得这些信息的唯一方法是完全阻止光的其中一种偏振光进入第二个分束器。然而，这样的话，就会有一半的光子根本无法被探测到。因此，在可识别性与可见性之间，存在着一种权衡——即无论选择什么相位，测量都存在一定程度的不确定性。这与2014年的理论预测一致。

  未来的应用  

研究人员表示，虽然新的研究目前还没有明确或直接的应用，但未来它在量子通信、计量学和密码学等领域都将有可能有诸多应用。他们认为，这项研究是对基本量子力学行为的一种非常直接的展示，而且它还有可能用于实际应用。这是非常令人兴奋的。