波粒二象性是量子力学的一个核心概念，以往关于波粒二象性的实验研究集中于杨氏双缝或马赫-曾德双路径干涉系统。在复杂多缝或多路径量子体系中，粒子的波粒二象性是否依旧遵循互补性关系、是否存在普适化准则、以及如何有效刻画多模式量子相干性等，目前尚未被实验揭示和证明。

纳光电子前沿科学中心研究团队发展了大规模硅基集成的可重构光量子芯片技术，实现了一款可惠勒延迟选择测量装置的多路径马赫-曾德干涉仪，该芯片单片集成350多个光子元器件和近100个可调相移器，属目前最大规模的光量子芯片之一（图1）。利用该芯片，团队实现了量子纠缠片上产生、量子受控型d模式普适化分束器、d模式普适化马赫-曾德干涉仪、以及量子态重构等功能器件和模块。团队首先验证了多路径干涉体系中的玻恩准则，测量得到了-0.0031±0.0047的Sorki参数，与文献中最精确测量结果齐平，排除了高阶干涉的存在。通过实现量子态和量子过程的相干纠缠，实现了一种量子受控的d模式分束器，其状态决定了d模式观测仪器的状态，从而可在惠勒延迟选择条件下观测粒子的多路径波粒二象性。图1分别为单光子在2、4和8路径干涉仪中观测到的粒子性和波动性分布图，在多路径量子体系存在更丰富的多模式量子化特性和多路径量子相干性。通过测量多模式粒子性D和多路径量子相干性C，首次在多路径量子体系中验证了普适化玻尔不等式（图1）。此外，团队还展示了对高维量子相干性的直接探测和高维随机数的产生。该研究成果有助于更深入理解复杂高维量子体系的基础物理特性，发展的大规模集成光量子芯片调控技术有望进一步推动高维量子信息技术的发展。

图1 A.大规模集成的可编程硅基光量子芯片线路示意图和芯片实物图；B-G.在片上延迟实验条件下观测到的多路径波动性和粒子性转化分布图，实验结果和理论分析高度一致（F值）；H-M.多路径普适化玻尔不等式的实验验证。

相关研究成果以“基于大规模集成光量子芯片的多路径普适化波粒二象性研究”（A generalised multipath delayed-choiceexperiment on a large-scale quantum nanophotonic chip）为题，于2021年5月7日在线发表于学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications 12, 2712 (2021)）。北京大学物理学院2018级博士研究生陈晓炯、2017级本科生邓曜昊、2018级博士研究生刘殊恒是文章的共同第一作者，王剑威研究员、何琼毅研究员、龚旗煌院士和中国科学院微电子研究所杨妍研究员是文章的共同通讯作者，首都师范大学费少明教授、中国科学院微电子研究所李志华研究员和奥地利科学院量子光学和量子信息研究所Marcus Huber教授参与研究工作。

该工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金项目、广东省重点领域研发计划、北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室等支持。

论文原文：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22887-6