La mécanique quantique est un pilier de la science et de la technologie modernes, et a profité à la société humaine pendant un siècle. La fonction d'onde, également connu sous le nom d'état quantique, est la description d'un objet quantique et joue un rôle central en mécanique quantique. Néanmoins, la nature de la fonction d'onde est encore débattue. Jusque là, il y a eu plusieurs interprétations de la fonction d'onde, y compris l'interprétation de Copenhague, l'interprétation de l'onde pilote de De Broglie, et l'interprétation multi-monde.

Parmi eux, l'interprétation de Copenhague domine. Il traite la fonction d'onde simplement comme une amplitude de probabilité complexe utilisée pour calculer la probabilité de trouver l'objet quantique à un endroit donné. Dans ce cas, la fonction d'onde est un outil mathématique pur, et n'est donc censé fournir que la connaissance des phénomènes. Cependant, l'interprétation de Copenhague ne peut décrire l'existence réelle de l'objet quantique. D'où, explorer la nature de la fonction d'onde est d'une importance fondamentale pour débloquer le mystérieux monde quantique.

Dans une étude récente, une interprétation réaliste (REIN) de la fonction d'onde a été proposée par Gui-Lu Long, chercheur au Département de physique, Université de Tsinghua, dans la ville chinoise de Pékin. Le REIN déclare que la fonction d'onde d'un objet quantique est un état réel plutôt qu'une simple description mathématique - en d'autres termes, l'objet quantique dans l'espace existe sous la forme de la fonction d'onde. Pour le démontrer, Gui-Lu Long et ses collaborateurs, Wei Qin, Zhe Yang et Jun-Lin Li, également du Département de physique, Université de Tsinghua, conçu une expérience à choix retardé par rencontre et réalisé expérimentalement le schéma. Cette étude, intitulé "Interprétation réaliste de la mécanique quantique et expérience de choix retardé de rencontre, " a été publié dans Science Chine Physique, Mécanique et Astronomie .

Les chercheurs ont montré qu'un objet quantique ou microscopique s'étend dans l'espace ou même, dans certains cas, dans les régions disjointes de l'espace, avec amplitude et phase. Le carré du module de la fonction d'onde représente la distribution spatiale de l'objet quantique. Lorsqu'il est mesuré, l'objet quantique remplissant l'espace, selon le postulat de mesure en mécanique quantique, s'effondrer instantanément. Dans ce cas, l'objet se comporte comme une particule. Du fait de l'existence d'une phase, l'interférence entre deux fonctions d'onde cohérentes peut se produire lorsqu'elles se rencontrent. Par conséquent, la fonction d'onde résultante changera différemment à différents endroits :certains sont renforcés en raison d'interférences constructives, tandis que d'autres sont annulés en raison d'interférences destructrices. Cela modifie la distribution spatiale de l'objet quantique. Dans ce cas, l'objet se comporte comme une vague.

Une bonne démonstration de l'expérience à choix retardé est donnée par un interféromètre à deux voies, l'interféromètre de Mach-Zehnder (MZI). Notre discussion se limite au cas où un seul photon est dirigé vers le MZI suivi de deux détecteurs. Selon la perspective traditionnelle, la nature du photon unique à l'intérieur du MZI dépend de la mise en place ou non du deuxième BS. Si le deuxième BS est absent, le photon unique se déplace alors le long d'un seul bras, montrant la nature des particules.

Au contraire, lorsque les chercheurs ont inséré le deuxième BS, le photon unique a voyagé le long des deux bras, exhibant la nature ondulatoire. Cependant, dans le REIN, la première BS divise le photon unique en deux sous-ondes voyageant le long des deux bras, si la deuxième BS est insérée ou non. C'est-à-dire, le photon dans un MZI est un objet étendu et séparé qui existe simultanément aux deux bras. Dans cette interprétation, si la deuxième BS est absente, les deux sous-ondes sont dirigées, respectivement, aux deux détecteurs, et avec une probabilité indépendante de leur phase relative, la mesure les réduit en un clic dans un seul détecteur. C'est la nature particulaire du photon unique.

Par ailleurs, la présence de la deuxième BS peut faire interférer les deux sous-ondes et, au lieu, deux sous-ondes résultantes sont dirigées vers les deux détecteurs. Le photon unique existe sous la forme des deux sous-ondes résultantes. En conséquence, la mesure réduit les sous-ondes résultantes en un clic dans un détecteur, avec une probabilité dépendante de la phase. C'est la nature ondulatoire du photon unique. Contrairement à l'interprétation traditionnelle, le REIN démontre qu'il n'y a pas de différence entre un seul photon dans un MZI fermé et un photon dans un ouvert avant qu'ils n'arrivent à la seconde BS.

Pour soutenir cette idée, les chercheurs mettent également en œuvre une expérience à choix retardé de rencontre (EDC). Dans l'expérience, la deuxième BS est insérée ou non lorsque les deux sous-ondes se déplaçant simultanément le long des deux bras du MZI se rencontrent, comme le montre la figure 1(a). C'est différent des expériences à choix différé précédentes (ou quantiques) où la décision est prise avant que la rencontre ne se produise. Dans le cas d'EDC, les parties, soumis au deuxième BS, des deux sous-ondes, vont interférer et leurs formes changent selon la phase relative. Mais les parties restantes, non soumis au deuxième BS, n'interférera pas, laissant leurs formes inchangées. Le photon unique peut donc être divisé en deux parties, une montrant la nature des ondes et une montrant la nature des particules. En conséquence, comme représenté sur la figure 1(b), les sous-ondes sorties du MZI peuvent être divisées en deux parties, l'un de la nature ondulatoire et l'autre de la nature particulaire. Notez que la figure 1(b) montre un cas particulier où les deux sous-ondes à l'intérieur du MZI sont en phase. Les données expérimentales de l'article sont en bon accord avec la prédiction du REIN, ce qui implique que l'idée de REIN est fortement soutenue.

"Cette difficulté est pertinente à notre notion obstinée d'une particule rigide d'objet microscopique pour un objet quantique, comme nom, 'particule quantique', suggère, " écrivent les chercheurs. " Si nous adoptons l'idée que l'objet quantique existe sous la forme de la fonction d'onde, il est plus facile de comprendre ce changement de forme."