神奇的光量子

光既有波动性，又有粒子性。这是很神奇的一个性质。而光量子的量子表现往往让人百思不得其解。如果用经典的概念去思考光量子，往往会陷入逻辑怪圈，无所适从。量子力学告诉我们，别想太多，按照量子力学的思路，你就能理解最后结果。一个非常著名的例子是杨式双缝干涉实验。它被费曼作为理解为量子力学的基础。光子通过双缝，会产生干涉结果。但是如果你去探测光子是经过那个路径过去的，则干涉条纹消失。量子力学告诉我们，光子是同时通过两条途径的，任何想探测光子通过哪条途径的方案最终会导致量子塌缩，干涉消失。这是一个有趣的事情。如果用一个光子去做杨氏干涉实验，会有什么情况呢。既然光是粒子，不可分割，那么光子必然是通过一个途径过去的啊。到底是哪个途径呢？

量子力学说，光子的干涉实验结果依赖于观测。如果你想探测是哪条途径，那么就没有干涉条纹，反之则有。于是Wheeler想了一个很有趣的实验。如果在光子通过双缝时，我没有任何测量。这样不会量子塌缩，但是在光子通过双缝以后，我再进行检测，看光子是通过哪个路径的。这样是不是干涉实验结果不依赖于观测呢？2007年Alain Aspect 和 Jean-Francois Roch等做了这个实验（Science 315 966 (2007)）。实验很简洁，示意图如下。

单光子通过分束器（BS_input）后，你可以选择打开或关闭最后一个分束器（BS_output）。当关闭后一个分束器，这样就可以探测光子从哪条途径过来。如果打开后一个分束器，就可以探测他们的相干效应。而打开或关闭分束器是在光子通过第一个分束器后再选择的。光子不知道最后一个分束器会存在还是不存在。那这时候的光子会怎么表现呢？

具体实验装置很巧妙，如下图：

单光子首先通过一个PBS，这样他们在不同的路径上是不同的偏振。然后再用一个PBS让他们合束。最后检查是一个Wollaston棱镜。如果EOM没有电压，这样两个路径的光子可以由偏振区分，这样两个探测器上的信号就可以确定光子是通过哪个路径的。如果加一个电压，这样就将原来偏振选择45°。这样两个探测器上的信号是两个路径的合束干涉的信号。这样就实现了Delay choice。

这个实验结果当然是支持量子力学看法，光子同时通过两个路径。（A）是打开后一个分束器的结果，是一个漂亮的MZ干涉条纹。（B）是关闭分束器的情况，两个探测器的计数相同，没有任何干涉条纹。结论还是，干涉结果依赖于观测，即使这是delay choice。

最近PRL上又有一篇文章，也是研究光子通过何种路径的（PRL 111 240402 （2013））。实验很巧妙，也有意想不到的量子效应。

实验上，调制镜子上的PZT，探测器可以探测位置。上面两种情况很简单，只是示例。（a）图中有两个频率，表示光子通过两个镜子。（b）中只有一个f_B频率。探测器上的光子只通过B镜子。

然后他们做了更复杂的MZ干涉仪实验。（a）中看到了五个频率，对应五个镜子。(b)中调节MZ干涉仪的距离，让到F镜子的光刚好相消，这样就没有光通过F镜子。但是实验中仍然可以看到A，B两个镜子的调制频率。作为对照，（c）图中挡住C镜反射过来的光，就看不到任何信号了。也就是说在（b），虽然没有光经过A，B镜子到达探测器，但是他们的调制频率却反映在最后信号中。这和我们经典的想法非常不同，也是一个量子效应。文章中有具体的解释，不是那么一目了然。