布魯塞爾自由大學布魯塞爾理工學院量子信息與通信中心的科學家們在最近發表在《自然-光子學》（Nature Photonics）上的一篇論文中報告，他們發現了一個意想不到的反例，挑戰了人們對光子束的傳統理解。

所有光子凝聚成兩束輸出光束的反常束集效應。圖片來源：Ursula Cardenas Mamani

尼爾斯-玻爾的互補性原理是量子物理學中的一個基本概念，其本質是物體既可以表現出類似粒子的行為，也可以表現出類似波的行為。這兩種相互排斥的描述在標誌性的雙縫實驗中得到了很好的詮釋。在雙縫實驗中，粒子撞擊在一個包含兩個狹縫的板上。

如果不觀察每個粒子的運動軌跡，當粒子穿過狹縫後被收集起來時，就會觀察到波狀干涉條紋。相反，如果觀察粒子的軌跡，那麼干涉條紋就會消失，一切就像我們在經典世界中處理粒子球一樣。

正如物理學家理查德-費曼（Richard Feynman）所說，干涉條紋源於缺乏哪條路徑的信息，因此，一旦實驗讓我們知道每個粒子通過了左狹縫或右狹縫中的一條或另一條路徑，條紋就必然消失。

光也無法擺脫這種二元性：它既可以被描述為電磁波，也可以被理解為由以光速運動的無質量粒子（即光子）組成。隨之而來的是另一個顯著現象：光子束化。寬泛地說，如果在量子乾涉實驗中無法區分光子並知道它們的運動軌跡，那麼它們就會趨向於粘在一起。

這種行為在兩個光子分別撞擊半透明鏡面的一側時就能觀察到，半透明鏡面會將入射光分成與反射光和透射光相關的兩條可能路徑。事實上，著名的”虹歐-曼德爾效應”（Hong-Ou-Mandel effect）告訴我們，兩個出射光子總是一起從鏡子的同一側射出，這是它們的路徑之間產生波狀干涉的結果。

在經典世界觀中，我們將光子視為經典的球，每個光子都有明確的路徑，而這種串擾效應是無法理解的。因此，從邏輯上講，一旦我們能夠分辨光子並追溯它們的路徑，束光效應就會變得不那麼明顯。

如果半透明鏡面上的兩個入射光子具有不同的偏振或不同的顏色，這正是我們在實驗中觀察到的現象：它們的行為就像經典球一樣，不再發生束集。人們普遍認為，光子束集與可分辨性之間的這種相互作用反映了一個普遍規律：對於完全不可分辨的光子，束集必須達到最大值，而當光子變得越來越可分辨時，束集就會逐漸減小。

最近，尼古拉斯-瑟夫（Nicolas Cerf）教授領導的量子信息與通信中心（布魯塞爾自由大學布魯塞爾理工學院）團隊，在其博士生伯努瓦-塞隆（Benoît Seron）和博士後萊昂納多-諾沃（Leonardo Novo）博士（現任葡萄牙伊比利亞國際納米技術實驗室研究員）的協助下證明了這一普遍假設是錯誤的。

他們考慮了一個特定的理論場景，即七個光子撞擊一個大型乾涉儀，並探測了所有光子束入乾涉儀兩條輸出路徑的情況。從邏輯上講，當所有七個光子都接受相同的偏振時，束集現象應該是最強烈的，因為這使得它們完全無法區分，這意味著我們無法獲得它們在干涉儀中的路徑信息。令人驚訝的是，研究人員發現，在某些情況下，通過精心選擇的偏振模式使光子部分可區分，光子束縛會大大加強，而不是削弱。

比利時團隊利用了量子乾涉物理學與永恆性數學理論之間的聯繫。通過利用一個新近被推翻的關於矩陣永久性的猜想，他們可以證明，有可能通過微調光子的偏振來進一步增強光子束。

除了對光子乾涉的基礎物理學具有啟發意義外，這種反常束集現像還對量子光子技術產生了影響，近年來量子光子技術取得了快速發展。

旨在構建光量子計算機的實驗已經達到了前所未有的控制水平，可以產生許多光子，通過複雜的光路進行干涉，並用光子數分辨探測器進行計數。因此，了解與光子的量子玻色性有關的光子束的微妙之處，是實現這一目標的重要一步。