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理查德·费曼80年前的量子假设现已得到验证
在作为量子物理学基本原理被提出数十年后，理查德·费曼的“路径积分”首次在实验中被直接测量
来源:New Scientist杂志费曼的“路径积分”是量子物理学的一个基本原理
SCIENCE PHOTO LIBRARY/Getty Images
量子物理学的一个基本假设首次通过实验得到直接验证。由理查德·费曼在近80年前提出，长期以来它构成了现代物理学许多领域的支柱。
量子粒子以难以分析而闻名，因为与它们相互作用会影响其性质。但研究人员开发了强大的数学工具来预测粒子在特定条件下可能的行为。
其中一个工具是“费曼路径积分”，它假设量子粒子在两点之间最可能走的路径，可以通过以一种特殊方式对两点之间所有可能路径进行求和计算来预测。自费曼于1948年提出以来，他的路径积分已进入教科书，现在对许多科学家来说不可或缺，包括研究粒子的物理学家。
如今，费曼的思想首次在实验中得到了直接检验。
华南师范大学的朱诗亮及其同事通过在其过去工作的基础上实现了这一目标，他们过去测量了与光粒子（即光子）有关的另一个量子对象。
这个称为传播子的对象，预测光子的量子态在从实验的一个部分传播到另一个部分时如何变化——在这种情况下，是穿过由微小反射镜、透镜和晶体组成的迷宫时。
此前，研究人员已经弄清楚了如何测量光子的不同属性（如偏振），然后重建它们的传播子。现在，他们意识到，可以通过测量一系列传播子然后将它们相乘，来构建给定光子的路径积分。
具体来说，他们测量了实验中给定光子的五个传播子。由于光子穿过迷宫时这些传播子可能对应的轨迹非常多，研究人员最终测量了总共1,419,857条不同的路径。然后他们将所有这些路径代入费曼路径积分公式，以找出它对光子行为的预测——结果发现与实际光子行为一致。
“鉴于费曼公式化在近八十年中的非凡成功，结果本身并不出人意料。但看到它起作用……仍然令人惊叹，”朱说。“‘对所有路径求和’这个熟悉的短语不再只是教科书中的符号指令，我们可以直接看到它的结果从实验数据中显现出来。”
他说，这个实验非常有挑战性，因为大量测试路径为误差和实验噪声打开了大门，这些很容易累积并使最终结果难以理解。
“我们必须同时改进实验的几乎每个方面，”朱说。研究人员必须显著提高他们过去实验的精度，因为如果按原样使用，经过五次传播子乘法后，数据看起来几乎完全随机，他说。
英国格拉斯哥大学的Jörg Götte表示，该实验的精度是一项真正的科学进步。鉴于光子的路径在移动时无法直接追踪，该实验展示了先进的量子测量和控制方法。它证实了量子物理学的根基正如研究人员迄今所认为的那样。
Götte说，如果团队的测量结果不同，那将非常令人惊讶，使用路径积分进行量子计算的整个框架将崩溃。
他说，新实验可能导致对路径积分的更复杂测试——例如，直接测量当光子穿过材料而非空气时不同路径如何相加。“我们也希望不同背景的研究人员能将我们的实验方法应用于他们自己的系统，”朱说。