科學(xué)家首次驗(yàn)證“量子最小作用量原理”

華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院教授顏輝/朱詩亮團(tuán)隊(duì)在量子物理領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展：首次實(shí)現(xiàn)了“量子最小作用量原理”的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。相關(guān)研究2023年5月22日在線發(fā)表于《自然—光子學(xué)》。溫永立、王云飛和田禮漫為論文共同第一作者，顏輝和朱詩亮為共同通訊作者，華南師范大學(xué)為論文第一單位。

“物理學(xué)家的終極夢(mèng)想是在一張小紙條中寫出整個(gè)宇宙的秘密，而最小作用量原理可能就是必寫的原理之一。”顏輝表示，最小作用量原理被科學(xué)家看作是物理學(xué)，甚至是自然界中最具普適性的基本原理，它具備簡(jiǎn)潔和統(tǒng)一的科學(xué)美學(xué)特征，在物理學(xué)乃至科學(xué)發(fā)展史中有著極其重要的地位。

自然界總是以最節(jié)省的方式達(dá)到它的目的，這就是最小作用量原理的核心思想。然而，物理學(xué)界一直未有實(shí)驗(yàn)測(cè)量出路徑積分中的關(guān)鍵物理量——傳播子，這使得路徑積分的基本概念研究一直停留在理論階段。此外，因?yàn)閭鞑プ訙y(cè)量技術(shù)的缺失，量子力學(xué)中的最小作用量原理一直也未能被實(shí)驗(yàn)直接演示或驗(yàn)證。

測(cè)量傳播子的主要困難在于，傳播子是復(fù)數(shù)，傳統(tǒng)的量子測(cè)量技術(shù)無法直接對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。顏輝/朱詩亮團(tuán)隊(duì)通過借鑒近年來國(guó)際上直接測(cè)量波函數(shù)的方法，設(shè)計(jì)和構(gòu)建了傳播子的理論測(cè)量方案，該方案將傳播子的實(shí)部和虛部分別對(duì)應(yīng)到實(shí)驗(yàn)可觀測(cè)量，然后重構(gòu)出傳播子。其后，研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)此方案設(shè)計(jì)并搭建了量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)先通過將單光子的空間模式和偏振模式進(jìn)行耦合，然后將其輸送至漸變折射率光學(xué)材料中進(jìn)行演化，最后用可探測(cè)單光子的相機(jī)對(duì)光子的空間分布進(jìn)行探測(cè)，傳播子的實(shí)部和虛部最終便可以在不同偏振態(tài)光子空間分布圖中被分析并重構(gòu)出來。這個(gè)實(shí)驗(yàn)中傳播子的測(cè)量結(jié)果與費(fèi)曼計(jì)算的理論結(jié)果高度吻合，從而首次在實(shí)驗(yàn)中測(cè)出了傳播子。

在成功測(cè)量出傳播子之后，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開展通過傳播子驗(yàn)證量子力學(xué)中的最小作用量原理的研究。由于作用量正比于傳播子的相位因子，因此，對(duì)測(cè)量所得傳播子的相位進(jìn)行分析，通過最小作用量原理，找到傳播子相位的極值所在位置，便能得到單光子的經(jīng)典路徑。經(jīng)過對(duì)海量的傳播子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，研究團(tuán)隊(duì)成功得到了單光子在自由空間和諧振勢(shì)場(chǎng)中的經(jīng)典路徑，這些路徑與經(jīng)典力學(xué)理論所預(yù)測(cè)的路徑吻合，從而首次在實(shí)驗(yàn)中演示和驗(yàn)證了量子力學(xué)中的最小作用量原理，揭示了最小作用量原理在量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)中的統(tǒng)一性。

朱詩亮表示，傳播子是費(fèi)曼路徑積分的關(guān)鍵物理量，首次實(shí)現(xiàn)傳播子的實(shí)驗(yàn)測(cè)量有重要的科學(xué)意義，打開了實(shí)驗(yàn)研究與路徑積分相關(guān)的量子現(xiàn)象的大門。此外，最小作用量原理是物理學(xué)中的普適性原理，在量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)其實(shí)驗(yàn)的演示可為量子-經(jīng)典界限、量子力學(xué)-廣義相對(duì)論的交叉等領(lǐng)域的研究提供新的視角。

（來源：中國(guó)科學(xué)報(bào)）