С момента своего создания 100 лет назад квантовая механика произвела революцию в нашем понимании природы, открыв удивительный мир, в котором объект может вести себя и как волны, и как частицы, и по-разному в зависимости от наблюдения.
В последние десятилетия исследователи, изучающие дуализм волна-частица, научились измерять относительную «волновость» и «частичность» квантовых объектов, что помогает объяснить, как и когда они переходят между волнообразным и корпускулярным поведением.
В статье, опубликованной в Physical Review Research, исследователи из Технологического института Стивенса сообщают о важном новом прорыве: простой, но мощной формуле, которая описывает точную математическую зависимость 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 полвека пытались количественно оценить дуализм волна-частица, но это первая полная система, которая позволяет полностью количественно оценить волнообразное и корпускулярное поведение с помощью оптимальных количественных показателей, актуальных на квантовом уровне».
Предыдущие исследования показали, что «волновость» и «частичность» можно выразить в виде неравенства, при этом сумма волнообразных свойств объекта (таких как видимые интерференционные паттерны) и корпускулярных свойств (таких как предсказуемость его 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 противоположность фактическим эксклюзивным отношениям между этими двумя типами поведения.
Чтобы исправить это, авторы ввели новую переменную: когерентность квантового объекта. «Когерентность — это сложное понятие, но по сути это скрытое описание потенциала для волнообразного вмешательства», — 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.
Взаимосвязь между «волновостью» и «частичностью» можно представить в виде элегантной кривой на графике — идеального четвертькруга для идеально когерентной системы и более плоского эллипса по мере снижения уровня когерентности.
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), при котором апертура объекта сканируется одним из пары запутанных фотонов. Если фотон проходит беспрепятственно, когерентность остаётся высокой; если он сталкивается со стенками апертуры, когерентность резко падает.
Измеряя волновость и частичность запутанного партнёрского фотона, команда Цяня могла определить его когерентность — и таким образом составить карту формы апертуры.
«Это показывает, что волновость и частичность квантового объекта могут использоваться как ресурс 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. Такие факторы одинаково влияют как на ситуации с высокой когерентностью (когда фотон проходит через апертуру), так и на ситуации с низкой когерентностью (когда фотон сталкивается со сканируемым объектом), поэтому остаётся возможным обнаружить разницу в когерентности между двумя сценариями.
«Эллипс сжимается, но мы всё ещё можем извлечь необходимую нам информацию об объекте», — объясняет Цянь.
Необходимы дальнейшие исследования, в первую очередь для определения того, как дуализм волна-частица проявляется в более сложных многопутевых квантовых сценариях.
«Математика делает это выглядящим просто, но мы далеки от того, чтобы исчерпать странности квантовой механики, — говорит Цянь. — Впереди ещё много фронтов, которые нам предстоит исследовать».
Предоставлено Технологическим институтом Стивенса.