Развитие квантовой механики 100 лет назад произвело революцию в нашем понимании природы, открыв удивительный мир, в котором объект может вести себя и как волна, и как частица, и по-разному в зависимости от наблюдения.
В последние десятилетия исследователи, изучающие дуализм волна-частица, научились измерять относительную «волновость» и «частичность» квантовых объектов, помогая объяснить, как и когда они переходят между волнообразным и корпускулярным поведением.
В статье, опубликованной в журнале Physical Review Research, исследователи из Технологического института Стивенса сообщают о важном новом прорыве: простой, но мощной формуле, которая описывает точную математическую связь между «волновостью» и «частичностью» квантового объекта.
«Дуализм волна-частица — краеугольный камень квантовой механики», — говорит Сяофэн Цянь, ведущий автор статьи и доцент кафедры физики в Технологическом институте Стивенса.
«Исследователи пытались количественно оценить дуализм волна-частица в течение полувека, но это первая полная система, которая позволяет полностью количественно оценить волнообразное и корпускулярное поведение с помощью оптимальных количественных показателей, актуальных на квантовом уровне».
Прежние исследования
Предыдущие исследования показали, что «волновость» и «частичность» могут быть выражены в виде неравенства, при этом сумма волнообразных свойств объекта (таких как видимые интерференционные картины) и корпускулярных свойств (таких как предсказуемость траектории или местоположения) равна или меньше единицы.
«Это важно, потому что это означает, что если объект полностью волновой, то он не проявляет корпускулярных свойств, и наоборот», — объясняет Цянь.
Такие модели были неполными, поскольку они могли описывать ситуации, в которых волнообразное и корпускулярное поведение объекта увеличивались одновременно — в отличие от фактического эксклюзивного отношения между двумя типами поведения.
Новый подход
Чтобы исправить это, авторы ввели новую переменную: когерентность квантового объекта.
«Когерентность — это сложная концепция, но по сути это скрытое описание потенциала для волнообразного интерференционного поведения», — объясняет Цянь.
«А обычная мера видимости представляет собой количество волновости, которое можно извлечь. Когда мы количественно оцениваем и учитываем когерентность наряду со стандартными показателями волновости и частичности, мы обнаруживаем, что они в сумме дают ровно единицу».
Это позволяет рассчитать как волновость, так и частичность с гораздо большей точностью. Измеряя когерентность в системе, фактически становится возможным рассчитать уровень волновости и частичности квантового объекта — не просто как «меньше единицы», а как точное значение.
Потенциальные применения
Помимо расширения нашего понимания фундаментальной физики, прорыв команды имеет значительное потенциальное применение в таких областях, как квантовая информация и квантовые вычисления.
Чтобы продемонстрировать это, команда Цяня применила свою теорию к технике, называемой квантовым изображением с помощью необнаруженных фотонов (QIUP), в которой апертура объекта сканируется одним из пары запутанных фотонов. Если фотон проходит беспрепятственно, когерентность остаётся высокой; если он сталкивается со стенками апертуры, когерентность резко падает.
Результаты
Измеряя волновость и частичность запутанного партнёрского фотона, команда Цяня смогла вывести его когерентность — и таким образом нанести на карту форму апертуры.
«Это показывает, что волновость и частичность квантового объекта могут быть использованы в качестве ресурса в квантовом изображении и, возможно, во многих других задачах, связанных с квантовой информацией или вычислениями», — говорит Цянь.
Примечательно, что изображение оставалось возможным даже тогда, когда внешние факторы, такие как температура или вибрации, ухудшали общую когерентность в квантовой системе.
Дальнейшие исследования необходимы, в первую очередь для определения того, как дуализм волна-частица проявляется в более сложных многопутевых квантовых сценариях.
«Математика делает это простым, но мы ещё далеки от того, чтобы исчерпать странности квантовой механики», — говорит Цянь. «У нас всё ещё есть много границ, которые нам предстоит исследовать».
Предоставлено Технологическим институтом Стивенса.