科學家首次驗證“量子最小作用量原理”

華南師范大學物理與電信工程學院教授顏輝/朱詩亮團隊在量子物理領域取得重要研究進展：首次實現了“量子最小作用量原理”的實驗驗證。相關研究2023年5月22日在線發表于《自然—光子學》。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，華南師范大學為論文第一單位。

“物理學家的終極夢想是在一張小紙條中寫出整個宇宙的秘密，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家看作是物理學，甚至是自然界中最具普適性的基本原理，它具備簡潔和統一的科學美學特征，在物理學乃至科學發展史中有著極其重要的地位。

自然界總是以最節省的方式達到它的目的，這就是最小作用量原理的核心思想。然而，物理學界一直未有實驗測量出路徑積分中的關鍵物理量——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，因為傳播子測量技術的缺失，量子力學中的最小作用量原理一直也未能被實驗直接演示或驗證。

測量傳播子的主要困難在于，傳播子是復數，傳統的量子測量技術無法直接對其進行測量。顏輝/朱詩亮團隊通過借鑒近年來國際上直接測量波函數的方法，設計和構建了傳播子的理論測量方案，該方案將傳播子的實部和虛部分別對應到實驗可觀測量，然后重構出傳播子。其后，研究團隊根據此方案設計并搭建了量子光學實驗系統。

實驗中，研究團隊先通過將單光子的空間模式和偏振模式進行耦合，然后將其輸送至漸變折射率光學材料中進行演化，最后用可探測單光子的相機對光子的空間分布進行探測，傳播子的實部和虛部最終便可以在不同偏振態光子空間分布圖中被分析并重構出來。這個實驗中傳播子的測量結果與費曼計算的理論結果高度吻合，從而首次在實驗中測出了傳播子。

在成功測量出傳播子之后，研究團隊進一步開展通過傳播子驗證量子力學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，對測量所得傳播子的相位進行分析，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典路徑。經過對海量的傳播子實驗數據進行計算和分析，研究團隊成功得到了單光子在自由空間和諧振勢場中的經典路徑，這些路徑與經典力學理論所預測的路徑吻合，從而首次在實驗中演示和驗證了量子力學中的最小作用量原理，揭示了最小作用量原理在量子力學和經典力學中的統一性。

朱詩亮表示，傳播子是費曼路徑積分的關鍵物理量，首次實現傳播子的實驗測量有重要的科學意義，打開了實驗研究與路徑積分相關的量子現象的大門。此外，最小作用量原理是物理學中的普適性原理，在量子系統中實現對其實驗的演示可為量子-經典界限、量子力學-廣義相對論的交叉等領域的研究提供新的視角。

（來源：中國科學報）