波粒二象性是量子力學的一個核心概念，有關實驗研究往往集中于楊氏雙縫或馬赫-曾德爾雙路徑幹涉系統。在複雜多縫或多路徑量子體系中，粒子的波粒二象性是否依舊遵循互補性關系、是否存在普适化準則，以及如何有效刻畫多模式量子相幹性等，迄今未被實驗揭示和驗證。

beat365官方网站、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心極端光學研究團隊與合作者發展了大規模矽基集成的可重構光量子芯片技術，近期研制了一款可惠勒延遲選擇測量裝置的多路徑馬赫-曾德爾幹涉儀。該芯片單片集成350多個光子元器件和近100個可調相移器，是目前規模最大的光量子芯片之一（見圖）。利用該芯片，聯合研究團隊開發了量子糾纏片上産生、量子受控型d模式普适化分束器、d模式普适化馬赫-曾德爾幹涉儀以及量子态重構等功能器件和模塊。他們首先驗證了多路徑幹涉體系中的玻恩準則，測得-0.0031±0.0047的Sorki參數，與已發表文獻中最精确測量的結果齊平，排除了高階幹涉的存在。通過相幹糾纏量子态和量子過程，實現了一種量子受控的d模式分束器，其狀态決定了d模式觀測儀器的狀态，從而可在惠勒延遲選擇條件下觀測粒子的多路徑波粒二象性。圖中分别為單光子在2、4和8路徑幹涉儀所觀測到的粒子性和波動性分布圖，表明在多路徑量子體系中存在更豐富的多模式量子化特性和多路徑量子相幹性。通過測量多模式粒子性D和多路徑量子相幹性C，首次在多路徑量子體系中驗證了普适化玻爾不等式C²+D²≤1。此外，還展示了對高維量子相幹性的直接探測和高維随機數的産生。該項研究有助于更深入地理解複雜高維量子體系的基礎物理特性，發展大規模集成光量子芯片調控技術有望推動高維量子信息技術進一步發展。

圖  A.大規模集成的可編程矽基光量子芯片線路示意圖和芯片實物圖；B-G.片上延遲實驗條件下觀測到的多路徑波動性和粒子性轉化分布，可看出實驗結果和理論分析高度一緻（F值）；H-M.多路徑量子體系中普适化玻爾不等式的實驗驗證

2021年5月7日，相關研究成果以“基于大規模集成光量子芯片的多路徑普适化波粒二象性研究”（A generalized multipath delayed-choice experiment on a large-scale quantum nanophotonic chip）為題，在線發表于《自然·通訊》（Nature Communications 12, 2712 (2021)）；beat365官方网站2018級博士研究生陳曉炯、2017級本科生鄧曜昊、2018級博士研究生劉殊恒為共同第一作者，王劍威研究員、何瓊毅研究員、龔旗煌院士和中國科學院微電子研究所楊妍研究員為共同通訊作者，首都師範大學費少明教授、中國科學院微電子研究所李志華研究員和奧地利科學院量子光學與量子信息研究所Marcus Huber教授亦參與研究工作。

上述工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、廣東省重點領域研發計劃等支持。

原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22887-6