經(jīng)過十年的工作，研究人員首次實現(xiàn)了量子波函數(shù)的實驗重建。波函數(shù)是一個用來預測量子粒子行為的抽象概念，也是物理學家理解量子力學的基礎(chǔ)。然而，這一基礎(chǔ)本身無論在字面上，還是在哲學意義上，都讓物理學家們感到十分棘手。

▲ 半導體材料內(nèi)部電子被激光脈沖加速和激發(fā)的示意圖。在這個過程的最后，電子會釋放出一束閃光，其中攜帶著有關(guān)其量子波函數(shù)的信息

波函數(shù)無法被我們拿在手里，也不能放在顯微鏡下進行觀察。而更令人困惑的是，波函數(shù)的一些性質(zhì)似乎不是真實的。事實上，數(shù)學家們會公開地將這些性質(zhì)以虛數(shù)進行標記，作為波函數(shù)預測現(xiàn)實世界實驗結(jié)果過程中的重要組成部分。所謂虛數(shù)，字面意義上便是虛構(gòu)的數(shù)，比如負整數(shù)的平方根。簡而言之，如果一個波函數(shù)可以被認為“存在”，那它便模糊地存在于形而上學的數(shù)學與物理現(xiàn)實之間。

近日，美國加州大學圣巴巴拉分校的研究人員及其同行在連接這兩個領(lǐng)域方面取得了重大進展：他們首次通過測量半導體材料對超快光脈沖的響應，重建了波函數(shù)。該團隊的研究成果發(fā)表在 11 月的《自然》（Nature）雜志上，或許將幫助電子工程和量子材料設(shè)計進入一個精細理解和精確控制的新時代。

對于現(xiàn)實世界的應用，例如現(xiàn)代電子學，略顯神秘的波函數(shù)是物理學家了解某些新裝置內(nèi)部實際情況的最佳途徑。為了預測電子在一種材料內(nèi)的運動速度或它能攜帶多少能量，研究人員必須從所謂的布洛赫波函數(shù)開始計算。這個波函數(shù)又名布洛赫態(tài)，由物理學家菲利克斯?布洛赫在 1929 年提出，后來便以他的名字命名。加州大學圣克魯茲分校的物理系學生、這項新研究的共同第一作者喬?科斯特洛表示，布洛赫波函數(shù)對量子工程設(shè)備尤其重要。他強調(diào)說：“在你考慮建造任何一種利用量子力學的設(shè)備時，你都需要很深入地了解它的（波函數(shù)）參數(shù)?！?/p>

這其中就包括波函數(shù)的所謂“相位”，一個完全虛構(gòu)的參數(shù)，但在設(shè)計量子計算機時往往至關(guān)重要?！伴L期以來被表征的都是（電子的）能量。這是所有電子學的基礎(chǔ)，”美國密歇根大學的物理學家麥基洛?基拉說，“但現(xiàn)在，有了量子信息技術(shù)，下一個層級便是超越這些，最終獲得這些（波函數(shù)）相位?！彼喿x了該研究的早期草稿，但沒有直接參與這項工作。

為了達到更高的層級，研究小組使用了兩種激光器和半導體材料砷化鎵。他們的實驗包括 3 個步驟：首先，他們用近紅外激光脈沖撞擊材料內(nèi)部的電子。這給了這些粒子額外的能量，使它們快速穿過半導體。當每個帶負電荷的電子開始移動時，一個所謂的空穴，類似于它的影子粒子 —— 與電子性質(zhì)相同但攜帶正電荷 —— 會與它一起移動。接下來，研究人員使用另一種激光脈沖將空穴與電子分開，然后又迅速讓它們重新結(jié)合。當空穴和電子重新結(jié)合時，在單獨移動時所積累的額外能量便會以光的形式釋放出來。

十年前，由加州大學伯克利分校的馬克?舍溫領(lǐng)導的一個物理學家團隊注意到這些能量釋放過程的奇怪之處：它們的性質(zhì)異常敏感地受到最初啟動粒子運行的激光脈沖性質(zhì)的影響。舍溫及其同事意識到，半導體材料的電子對光的反應在很大程度上存在細微差別，而這是一個尚未被探索的課題?！斑@出乎我們的意料，”舍溫回憶道，“但我們決定進一步探索，并開始進行系統(tǒng)的研究?！痹谶@項新研究中，博士后學者吳啟樂（Qile Wu，音譯）進行了計算工作，他是舍溫團隊的成員，也是這項研究的共同第一作者。計算結(jié)果證明，這種靈敏的細微差別還可以用來重建半導體空穴的布洛赫波函數(shù)。

研究人員通過對偏振性質(zhì)的測量，揭示了被吸收的激光與釋放的閃光之間的聯(lián)系。所謂偏振，就是光波在行進過程中振蕩的方向。在實驗中，激光的偏振影響了運行中的電子及其空穴的波函數(shù)相位。在實驗結(jié)束時，二者的會合產(chǎn)生了閃光，該閃光的偏振便由這兩個波函數(shù)相位決定。在物理學方程中，這些相位通常以虛數(shù)而非實數(shù)來表示，因此在研究人員看來，將它們與非常真實和可測量的光偏振聯(lián)系起來，是一個重要的突破。

斯坦福大學的物理學家尚布?吉米雷并未參與這項工作，但他強調(diào)了這項新研究的一大特點：利用光來獲取信息，而這在以前被認為是純數(shù)學的。他說：“這些（基于光的）方法有時會很費力，或者在概念上很有挑戰(zhàn)性，但大多數(shù)時候，它們提供了通往復數(shù) [波函數(shù)] 中虛數(shù)部分的途徑，這是其他傳統(tǒng)方法無法達到的?！贝送猓芯繄F隊還成功地從相同的偏振測量數(shù)據(jù)中逆向?qū)С隽苏麄€布洛赫波函數(shù)。

吉米雷進一步指出，加州大學圣地亞哥分校的研究人員使用的激光除了偏振之外，還有另一個很重要的特性：這是一種超快激光脈沖，撞擊電子的時間只有萬億分之一秒。固體中的電子往往會撞到原子，很難不受干擾地移動，因此如果能極快速地控制電子的話，將對電子和空穴分開并重新結(jié)合的操作至關(guān)重要。否則，在任何一次試驗中，其中一方都有可能受到原子的阻礙，無法重新結(jié)合。謝默斯?奧哈拉是該研究的另一名共同第一作者，也是馬克?舍溫所在小組的博士生，他將這項技術(shù)的部分優(yōu)勢歸結(jié)于該小組使用了加州大學圣地亞哥分校最先進的自由電子激光設(shè)備。

不過，這項工作的影響可能會超出專業(yè)設(shè)備和簡單半導體的范圍。吳啟樂的理論研究表明，在砷化鎵中，只需要對再發(fā)射閃光的性質(zhì)有很少的了解，就可以數(shù)學重建布洛赫波函數(shù)。但對于其他半導體材料，可能還需要更全面的了解，這一過程也許會非常困難。路易斯安那州立大學的物理學家梅特?加德也沒有參與這項研究，他說：“這項工作非常有趣，它展示了在結(jié)果非常明確的情況下，你可以做到一些很基礎(chǔ)的事情。這也意味著，你或許可以用它來學習更復雜的結(jié)構(gòu)?！?/p>

加州大學圣克魯茲分校的團隊已經(jīng)為下一步研究制定了雄心勃勃的計劃。展望未來，研究人員更加關(guān)注的問題是，如何將他們的技術(shù)應用于電子之間會發(fā)生強烈相互作用的材料，或者在新的材料中，用激光激發(fā)比電子和空穴更奇特的粒子?？扑固芈搴芸释懈嗟臋C會探索波函數(shù)的無形世界，他說：“我們正在尋找新的材料。如果人們有了感興趣的半導體材料，我們很樂意去嘗試?！?/p>