2019年6月14日，国际顶级学术期刊Science子刊Science Advances（《科学•进展》）在线发表了题为“杨氏双缝路径测量中动量扰动的实验观测”(Observing momentum disturbance in double-slit “which-way” measurements）的论文。此项成果的第一作者是中国海洋大学信息科学与工程学院顾永建教授“海洋量子技术”团队的“英才工程”青年学者肖芽副教授。
该研究成果表明，在杨氏双缝实验中引入路径测量时，波姆理论提供了一种有效的方法来从实验上检验光子的“轨迹”。这对量子力学基础问题的研究具有重要的作用，并且有助于加深人们对波粒二象性和互补原理的理解。该研究工作是肖芽与中国科学技术大学李传锋、许金时教授及合作者Howard M. Wiseman等共同完成的。
量子信息技术正在迅猛发展，人类即将迎来量子通信和量子计算时代，但量子力学仍有很多基础问题没有解决。在量子力学的第一个100年，人们往往只关注能“做什么”，不去问“为什么”，因为许多问题量子力学无法做出回答。量子技术的发展，带来了新的实验方法和手段，提供了更多研究量子世界奥秘的有效工具，对量子力学的基础问题进行实验研究成为可能，这就是目前正在兴起的“量子力学二次革命”。
杨氏双缝实验是物理学的经典实验。在杨氏双缝实验中，当人们对光子进行路径测量来识别它具体从哪个狭缝通过时，不可避免地会破坏干涉条纹的可见度。在学术界关于这个测量过程中干涉条纹的可见度与光子的动量扰动之间的关系一直存在激烈的争论，主要原因是人们使用了不同的动量改变量的定义。为了更深入地研究这个问题，就需要找到一个更加普适的方法来量化光子的动量变化。波姆力学提供了一种有效的方法来解决这一问题。在波姆理论中，粒子在任意时刻都具有明确的位置和动量，它沿着一条确定的轨迹演化。因此即使粒子的初态不是动量的本征态，研究人员仍然可以计算出粒子的动量改变量。此外，光子的平均轨迹在实验上可以用弱测量的方法重构出来。
基于波姆理论，利用弱测量技术，肖芽等研究人员前期在杨氏双缝干涉装置中实现了光子轨迹非局域导引 [Optics Express 25, 14463-14472 (2017)]。在本论文中，他们进一步把光子的轨迹重构到8.6米远。然后，采用其澳大利亚合作者Howard M. Wiseman提出来的波姆动量概率分布来量化路径探测过程中光子的动量改变量。通过对比有无路径测量时的光子动量，他们观测到光子总的动量改变量的绝对值在近场时很小，但是会随着传播距离的增加而增加，展现了动量的非局域累加过程（图a）。在远场时，他们进一步验证了光子动量改变量的绝对值与干涉条纹可见度之间的量化关系。实验结果表明随着动量改变量的增加，干涉条纹可见度将随之下降（图b）。
图a 动量扰动随着传播距离的增加而增加 图b 远场时，动量改变量与可见度的关系
通讯员：李文东
