Wellen- und Teilcheneigenschaften sind zwei grundlegende Eigenschaften der Materie in der Natur. Im Falle des Lichts reicht die Debatte darüber, ob es sich um eine Welle oder ein Teilchen handelt, bis ins 17. Jahrhundert zurück. Newton entwickelte in seinem Buch eine relativ perfekte Teilchentheorie des Lichts.Optik, wodurch die Teilchentheorie des Lichts für fast ein Jahrhundert zur gängigen Theorie wurde. Huygens, Thomas Young, Maxwell und andere glaubten, dass Licht eine Welle sei. Bis zum frühen 20. Jahrhundert schlug Einstein dieOptikQuantenerklärung derphotoelektrischEffekt, der den Menschen klar machte, dass Licht die Eigenschaften eines Welle-Teilchen-Dualismus besitzt. Bohr wies später in seinem berühmten Komplementaritätsprinzip darauf hin, dass es von der jeweiligen experimentellen Umgebung abhängt, ob sich Licht wie eine Welle oder ein Teilchen verhält, und dass beide Eigenschaften nicht gleichzeitig in einem einzigen Experiment beobachtet werden können. Nachdem John Wheeler jedoch sein berühmtes, auf seiner Quantenversion basierendes Experiment mit verzögerter Selektion vorgeschlagen hatte, wurde theoretisch bewiesen, dass Licht gleichzeitig einen Welle-Teilchen-Superpositionszustand von „weder Welle noch Teilchen, weder Welle noch Teilchen“ verkörpern kann, und dieses merkwürdige Phänomen wurde in zahlreichen Experimenten beobachtet. Die experimentelle Beobachtung der Welle-Teilchen-Superposition von Licht stellt die traditionellen Grenzen von Bohrs Komplementaritätsprinzip in Frage und definiert das Konzept des Welle-Teilchen-Dualismus neu.
Inspiriert von der Grinsekatze in Alice im Wunderland schlugen Aharonov et al. 2013 die Quantentheorie der Grinsekatze vor. Diese Theorie offenbart ein neuartiges physikalisches Phänomen: Der Körper der Grinsekatze (physische Entität) kann sich räumlich von ihrem lächelnden Gesicht (physische Eigenschaft) trennen, was die Trennung von materieller Eigenschaft und Ontologie ermöglicht. Die Forscher beobachteten das Grinsekatzenphänomen sowohl in Neutronen- als auch in Photonensystemen und beobachteten darüber hinaus das Phänomen zweier Quanten-Grinsekatzen, die lächelnde Gesichter austauschten.
Kürzlich, inspiriert von dieser Theorie, hat das Team von Professor Li Chuanfeng an der University of Science and Technology of China in Zusammenarbeit mit dem Team von Professor Chen Jingling an der Nankai University die Trennung der Welle-Teilchen-Dualität vonOptik, d. h. die räumliche Trennung von Welleneigenschaften und Teilcheneigenschaften durch die Gestaltung von Experimenten mit unterschiedlichen Freiheitsgraden von Photonen und den Einsatz schwacher Messtechniken, die auf virtueller Zeitentwicklung basieren. Die Welleneigenschaften und Teilcheneigenschaften von Photonen werden gleichzeitig in verschiedenen Regionen beobachtet.
Die Ergebnisse werden dazu beitragen, das Verständnis des Grundkonzepts der Quantenmechanik, des Welle-Teilchen-Dualismus, zu vertiefen. Darüber hinaus werden die verwendeten schwachen Messmethoden Anregungen für die experimentelle Forschung in Richtung Quantenpräzisionsmessung und kontrafaktischer Kommunikation liefern.
| Papierinformationen |
Li, JK., Sun, K., Wang, Y. et al. Experimentelle Demonstration der Trennung des Welle-Teilchen-Dualismus eines einzelnen Photons mit der Quanten-Cheshire-Katze. Light Sci Appl 12, 18 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41377-022-01063-5
Veröffentlichungszeit: 25. Dezember 2023