，经过十年的工作，研究人员首次实现了量子波函数的实验重建波函数是一个用来预测量子粒子行为的抽象概念，也是物理学家理解量子力学的基础可是，这一基础本身无论在字面上，还是在哲学意义上，都让物理学家们感到十分棘手

半导体材料内部电子被激光脉冲加速和激发的示意图。在这个过程的最后，电子会释放出一束闪光，其中携带着有关其量子波函数的信息

波函数无法被我们拿在手里，也不能放在显微镜下进行观察而更令人困惑的是，波函数的一些性质似乎不是真实的事实上，数学家们会公开地将这些性质以虚数进行标记，作为波函数预测现实世界实验结果过程中的重要组成部分所谓虚数，字面意义上便是虚构的数，比如负整数的平方根简而言之，如果一个波函数可以被认为存在，那它便模糊地存在于形而上学的数学与物理现实之间

最近几天，美国加州大学圣巴巴拉分校的研究人员及其同行在连接这两个领域方面取得了重大进展:他们首次通过测量半导体材料对超快光脉冲的响应，重建了波函数该团队的研究成果发表在 11 月的《自然》杂志上，或许将帮助电子工程和量子材料设计进入一个精细理解和精确控制的新时代

这其中就包括波函数的所谓相位，一个完全虚构的参数，但在设计量子计算机时往往至关重要长期以来被表征的都是能量这是所有电子学的基础，美国密歇根大学的物理学家麦基洛基拉说，但现在，有了量子信息技术，下一个层级便是超越这些，最终获得这些相位他阅读了该研究的早期草稿，但没有直接参与这项工作

为了达到更高的层级，研究小组使用了两种激光器和半导体材料砷化镓他们的实验包括 3 个步骤:首先，他们用近红外激光脉冲撞击材料内部的电子这给了这些粒子额外的能量，使它们快速穿过半导体当每个带负电荷的电子开始移动时，一个所谓的空穴，类似于它的影子粒子 —— 与电子性质相同但携带正电荷 —— 会与它一起移动接下来，研究人员使用另一种激光脉冲将空穴与电子分开，然后又迅速让它们重新结合当空穴和电子重新结合时，在单独移动时所积累的额外能量便会以光的形式释放出来

研究人员通过对偏振性质的测量，揭示了被吸收的激光与释放的闪光之间的联系所谓偏振，就是光波在行进过程中振荡的方向在实验中，激光的偏振影响了运行中的电子及其空穴的波函数相位在实验结束时，二者的会合产生了闪光，该闪光的偏振便由这两个波函数相位决定在物理学方程中，这些相位通常以虚数而非实数来表示，因此在研究人员看来，将它们与非常真实和可测量的光偏振联系起来，是一个重要的突破

斯坦福大学的物理学家尚布吉米雷并未参与这项工作，但他强调了这项新研究的一大特点:利用光来获取信息，而这在以前被认为是纯数学的他说:这些方法有时会很费力，或者在概念上很有挑战性，但大多数时候，它们提供了通往复数 中虚数部分的途径，这是其他传统方法无法达到的此外，研究团队还成功地从相同的偏振测量数据中逆向导出了整个布洛赫波函数

不过，这项工作的影响可能会超出专业设备和简单半导体的范围吴启乐的理论研究表明，在砷化镓中，只需要对再发射闪光的性质有很少的了解，就可以数学重建布洛赫波函数但对于其他半导体材料，可能还需要更全面的了解，这一过程也许会非常困难路易斯安那州立大学的物理学家梅特加德也没有参与这项研究，他说:这项工作非常有趣，它展示了在结果非常明确的情况下，你可以做到一些很基础的事情这也意味着，你或许可以用它来学习更复杂的结构

加州大学圣克鲁兹分校的团队已经为下一步研究制定了雄心勃勃的计划展望未来，研究人员更加关注的问题是，如何将他们的技术应用于电子之间会发生强烈相互作用的材料，或者在新的材料中，用激光激发比电子和空穴更奇特的粒子科斯特洛很渴望有更多的机会探索波函数的无形世界，他说:我们正在寻找新的材料如果人们有了感兴趣的半导体材料，我们很乐意去尝试

当试图理解这些难以置信的复杂概念时，人们会有认知困难，但理论物理学家每天都在考虑甚至试图回答这些问题。