“回旋镖般的光束”：新研究探索了光学中量子回流的复杂世界

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发布时间：2023-11-23

近期，华沙大学物理系的研究人员将两束顺时针方向扭曲的光束叠加在一起，在叠加结果的暗区产生了逆时针方向的扭曲。研究成果发表在《光学》（Optica）杂志上。这一发现对研究光与物质之间的相互作用具有重要意义，并标志着向观测一种被称为“量子回流”（quantum backflow）的奇特现象迈出了一步。

两束只携带负轨道角动量（OAM）的不同振幅光束的叠加会在暗区产生局部正轨道角动量，这种反直觉效应被称为“方位角回流”

“想象一下，你正在投掷一个网球。球开始以正动量向前移动。如果球没有碰到障碍物，你不可能想到它会突然改变方向，像回旋镖一样回到你身边。”华沙大学物理系博士生博尼希卡·戈什（Bohnishikha Ghosh）指出：“举例来说，当你顺时针旋转这样一个球时，你同样会期望它保持同一方向旋转。”

然而，当我们面对的不是一个球，而是量子力学中的粒子时，一切都变得复杂起来。

“在经典力学中，物体有一个已知的位置。与此同时，在量子力学和光学中，一个物体可以处于所谓的叠加状态，这意味着一个给定的粒子可以同时处于两个或多个位置。”华沙大学物理系量子成像实验室负责人拉狄克·拉普凯维奇（Radek Lapkiewicz）博士解释说。

量子粒子的行为可能与上述网球截然相反：在某些时间段内，它们有可能向后移动或向相反的方向旋转——物理学家称这种现象为“回流”。

不过，量子系统中的回流现象迄今尚未在实验中观察到。

相反，在经典光学中，人们利用光束成功地实现了这种现象。亚基尔·阿哈罗诺夫（Yakir Aharonov）、迈克尔·贝里（Michael V. Berry）和桑杜·波佩斯库（Sandu Popescu）的理论研究探索了量子力学中的回流与光波在局部尺度上的异常行为之间的关系。

埃利泽（Eliezer Yudkowsky）曾等人通过合成复杂波面观测到了光学回流。随后，在拉普凯维奇博士的研究小组中，阿纳特·丹尼尔（Anat Daniel）博士等人利用两束光的简单干涉，在一维范围内证明了这一现象。

丹尼尔博士解释说：“我发现这项工作的迷人之处在于，当你进入局部尺度测量的王国时，你会很容易意识到事情是如何变得怪异的。”

为了观察这一现象，研究人员使用了Shack-Hartman波前传感器。该系统由一个放置在CMOS（互补金属氧化物半导体）传感器前的微透镜阵列组成，可为二维空间测量提供高灵敏度。

“我们研究了仅携带负轨道角动量的两束光的叠加，并在干涉图案的暗区观察到正的局部轨道角动量。这就是方位角回流。”

两束螺旋相位光束叠加时的方位回流直观图

实验设置

证明方位角回流的实验结果

正如科学家们所强调的，他们目前的演示可以解释为相位超振荡。2010年，布里斯托大学物理学家迈克尔·贝里（Michael Berry）教授首次描述了量子力学中的回流与波的超振荡之间的联系。

超振荡是指叠加的局部振荡快于其最快傅立叶分量的一种现象。亚基尔·阿哈罗诺夫和桑杜·波佩斯库于1990年首次预言了这一现象，他们发现正弦波的特殊组合产生的集合波区域的摆动速度比任何成分都快。迈克尔·贝里曾在他的出版物《比傅立叶更快》（Faster than Fourier）中展示了超振荡的威力，他指出，从原理上讲，只需将频率低于1赫兹的声波组合在一起，就可以演奏贝多芬的《第九交响曲》。

——然而，这非常不切实际，因为超振荡区的波幅非常小。

针对此次实验，戈什解释道：“我们提出的回流是相位快速变化的一种表现形式，这在涉及光-物质相互作用的应用中可能非常重要，例如光学捕获或设计超精密原子钟。”

除此以外，华沙大学物理系研究小组发表的论文还朝着观测二维量子逆流的方向迈出了一步，理论上，二维量子逆流比一维量子逆流更加稳健。

参考链接：

[1]https://www.azooptics.com/News.aspx?newsID=28491

[2]https://www.eurekalert.org/news-releases/1008613

[3]https://phys.org/news/2023-11-boomerang-like-quantum-backflow-dimensions.html