量子力學(xué)中的思想實(shí)驗“薛定諤的貓”已在學(xué)術(shù)界廣為人知，近年來國際科學(xué)界又提出一個前沿概念叫“量子柴郡貓”。近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊與南開大學(xué)學(xué)者合作，首次實(shí)現(xiàn)了光子的偏振與其本體分離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩個光子偏振的無接觸交換，實(shí)驗揭示了“量子柴郡貓”的獨(dú)特量子特性，加深了人們對“什么是物理實(shí)在”這一物理學(xué)基本問題的認(rèn)識。

在宏觀的經(jīng)典世界中，物體的物理屬性比如質(zhì)量、體積等，與物體本身不可分離，但在微觀的量子世界里則有所不同。2013年國際科學(xué)界有理論研究表明，微觀粒子的物理屬性(如電子的電荷和自旋、光子的偏振等)可以與其本體分離，多位知名學(xué)者將這種現(xiàn)象命名為“量子柴郡貓”。

柴郡貓是兒童文學(xué)名著《愛麗絲夢游仙境》中一只會咧著嘴笑的貓，它的身體可以憑空消失，但笑容還掛在半空中。國際科學(xué)界在中子和光子的干涉實(shí)驗中，觀察到粒子屬性與其本體分離的現(xiàn)象，但要想展示“量子柴郡貓”的獨(dú)特量子效應(yīng)，還需要更復(fù)雜的實(shí)驗。

近期，中科大郭光燦院士團(tuán)隊中的李傳鋒、許金時、許小冶等人與南開大學(xué)陳景靈教授合作，首次利用雙光子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了兩只“量子柴郡貓”交換笑臉。

他們使用對系統(tǒng)施加微擾的新方法，解決了多體量子系統(tǒng)弱值提取的難題，并制備出雙光子超糾纏態(tài)，獲得光子的路徑和偏振觀測量的弱值。實(shí)驗觀測到兩光子都處于偏振屬性和光子本體分離的狀態(tài)，并各自得到了另一光子的偏振，實(shí)現(xiàn)了兩只“量子柴郡貓”的無接觸笑臉互換。

該研究成果展示了量子世界中物質(zhì)與其物理屬性靈活多變的關(guān)系，加深了人們對“什么是物理實(shí)在”這一物理學(xué)基本問題的認(rèn)識。另一方面，引入微擾獲得弱值的方法也將成為研究量子物理的有力工具。

國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》日前發(fā)表了這項研究成果，審稿人評價這是“一個里程碑”，是理解量子力學(xué)基礎(chǔ)問題的重要進(jìn)展。