弱测量光子和原子干涉仪：量子力学分析和实验验证

微观粒子具有波粒二象性，它们有时表现为粒子性（有确定的路径，但不产生干涉条纹），有时表现为波动性（没有确定的路径，但产生干涉条纹），依赖于观察者如何去观测它们的运动行为，但是不可能同时观测到波动性和粒子性。波粒二象性是量子力学的概念基础，也一直是量子物理中迷雾重重的一个未解之题。本报告将介绍作者在利用光子和原子干涉仪检验微观粒子波粒二象性这一量子物理基础问题上的多年思考以及近年来的若干理论和实验研究结果。作者将从量子力学的基本操作规则出发，对几种经典干涉仪以及作者提出的弱测量光子和原子干涉仪做系统的量子力学分析，求解出这些干涉仪中微观粒子波函数演化的行为，在此基础上计算出微观粒子干涉条纹的可见度和运动路径的可辨别度，从而对微观粒子波动性和粒子性的可观测性进行定量化的评估。理论计算结果表明，利用弱测量光子和原子干涉仪可以突破正统的波粒二象性原理对波动性和粒子性同时观测所施加的理论限制。在理论研究的指引下，作者和合作者开展了基于弱测量干涉仪方案的单光子实验，实验测量结果完全证实了理论的预言。弱测量光子和原子干涉仪的提出及其深入的理论和实验研究，有望为量子力学建立更加牢固可靠的概念基础提供有益的思路。