利用高质量单光子和光学腔实现延迟选择实验的方案

　　光(子)的本性问题一直是量子光学研究的重要问题。从过去的光束双缝干涉到不久前的一系列基于单个光子的实验都清楚地证实了光的波粒二象性[1-3]。1979年,在普林斯顿纪念爱因斯坦诞辰100周年的专题讨论会上,惠勒提出了延迟选择实验的思想[4],通过控制干涉仪中的第二个分束器,能够选择当初光子只走一条路径(粒子性)还是同时走两条路径(波动性)。“即便是在光子已经上路之后,人们照样可以决定光子到底是走一条路还是走两条路”[5]。这一思想把量子力学的测量行为和时间本性之间的关系突出的表现出来,把哥本哈根学派的思想推到了逻辑上的极致[6]。

　　自从延迟选择实验的思想提出以来,引发了人们在实验上验证它的兴趣[7-12]。早在1982年, Scully和Drühl就提出了以两原子代替双缝的理论方案,并且利用延迟选择的思想,第一次提出了“量子擦除器”这一概念,即观测者的选择可以将储存在双缝(原子)处的信息擦除从而恢复干涉条纹[7]; 1987年,Hellmuth等人不仅理论分析了而且还利用衰减的脉冲光在实验上验证了延迟选择实验[8]; Baldzuhn等利用参量荧光的光子对进行了该项实验,光子对中的一个光子作为触发而另一个进入Mach-Zehnder干涉仪[9];后来Lawson-Daku等利用原子的Stern-Gerlach干涉实验完成了延迟选择实验[10]; 2000年, Yoon-HoKim等人利用纠缠光子对实验实现了延迟选择的量子擦除器,与之前的工作不同的是,对第一个光子的延迟选择不是人为的,而是由第二个光子随机决定的[11]。2007年, V. Jacques等人利用N-V色心产生的接近理想的单光子源,以当初惠勒提出的原始思想为基础,在真正意义上实现了延迟选择的实验,证实了惠勒所作解释的正确性[12]。V. Jacques等人在实中采用了长达48 m的干涉臂,目的是增加单光子穿过第一个分束器到达控制器之间的时间。长距离干涉给实验带来很大困难,也不可避免会带来干扰。

　　本文提出了一种基于高质量(相干性好)的单光子和光学腔的延迟选择实验的方案。利用腔中光场的干涉导致输入输出场的变化,通过控制入射光子与腔的共振(失谐),由测量反射和透射光的光子数(通过光子计数)完成延迟选择实验。

　　基本思路如图1所示,腔镜M1和M2构成一个标准的F-P腔,其中,M1和M2分别表示输入和输出耦合镜,其透射率分别为T1和T2,反射率分别为R1和R2。为方便假定M2置于一压电陶瓷(PZT)上改变位移(实际过程中可以通过电光调制获得更快的速度)。当来自脉冲单光子源的光子从M1一端入射,如果没有腔镜M2,则光子有R1的概率被M1反射,而有T1的概率穿过M1;如果当单光子通过第一个腔镜M1进入腔中,在其到达第二个腔镜M2前,将M2放入并与M1形成光学腔,此时整个腔的反射和透射状况将受到M2放置位置的影响,会随腔长周期变化。所以M2的插入可以实现“事后”改变“光子是被输入耦合镜M1反射”还是“继续前进穿越F-P腔”的状态,即证明延迟选择的想法