Исследователи из Университета Линчёпинга совместно с коллегами из Польши и Чили подтвердили теорию, которая предполагает связь между принципом дополнительности и энтропийной неопределенностью. Их исследование опубликовано в журнале Science Advances .
«Наши результаты пока не имеют четкого или прямого применения. Именно фундаментальные исследования закладывают основу будущих технологий в области квантовой информации и квантовых компьютеров. Существует огромный потенциал для совершенно новых открытий во многих различных областях исследований», — говорит Гильерме Б. Ксавье, исследователь в области квантовой коммуникации в Университете Линчёпинга, Швеция.
Но чтобы понять, что показали исследователи, нам нужно начать с самого начала.
То, что свет может быть как частицами, так и волнами, является одной из самых нелогичных, но в то же время фундаментальных характеристик квантовой механики. Это называется корпускулярно-волновым дуализмом .
Теория восходит к 17 веку, когда Исаак Ньютон предположил, что свет состоит из частиц. Другие современные ученые считали, что свет состоит из волн. Ньютон, наконец, предположил, что это может быть и то, и другое, не сумев доказать это. В 19 веке несколько физиков в различных экспериментах показали, что свет на самом деле состоит из волн.
Но где-то в начале 1900-х годов Макс Планк и Альберт Эйнштейн подвергли сомнению теорию о том, что свет — это всего лишь волны. Однако только в 1920-х годах физик Артур Комптон смог показать, что свет также обладает кинетической энергией — классическим свойством частиц.
Частицы были названы фотонами. Таким образом, был сделан вывод, что свет может быть как частицами, так и волнами, как и предполагал Ньютон. Электроны и другие элементарные частицы также демонстрируют этот корпускулярно-волновой дуализм.
Но невозможно измерить один и тот же фотон в форме волны и частицы. В зависимости от того, как проводится измерение фотона, видны либо волны, либо частицы. Это известно как принцип дополнительности и было разработано Нильсом Бором в середине 1920-х годов. Он гласит, что независимо от того, что именно мы решаем измерить, комбинация характеристик волны и частицы должна быть постоянной.
В 2014 году исследовательская группа из Сингапура математически продемонстрировала прямую связь между принципом дополнительности и степенью неизвестной информации в квантовой системе, так называемой энтропийной неопределенностью.
Эта связь означает, что независимо от того, какую комбинацию волновых или корпускулярных характеристик квантовой системы мы рассматриваем, количество неизвестной информации составляет по крайней мере один бит информации, т.е. неизмеримую волну или частицу.
В новом исследовании ученым удалось подтвердить теорию сингапурских ученых на практике с помощью нового типа эксперимента.
«С нашей точки зрения, это очень прямой способ продемонстрировать базовое квантово-механическое поведение. Это типичный пример квантовой физики, где мы можем видеть результаты, но не можем визуализировать то, что происходит внутри эксперимента. И все же его можно использовать для практических приложений. Это очень увлекательно и почти граничит с философией», — говорит Гильерме Б. Ксавье.
В своей новой экспериментальной установке исследователи из Линчёпинга использовали фотоны, движущиеся вперед в круговом движении, называемом орбитальным угловым моментом , в отличие от более распространенного колебательного движения, которое происходит вверх и вниз. Выбор орбитального углового момента позволяет в будущем применять эксперимент на практике, поскольку он может содержать больше информации.
Измерения проводятся с помощью прибора, который обычно используется в исследованиях и называется интерферометром. Фотоны попадают в кристалл ( делитель луча ), который разделяет путь фотонов на два новых пути, которые затем отражаются так, чтобы пересечься на втором делителе луча, а затем измеряются либо как частицы, либо как волны в зависимости от состояния этого второго устройства.
