Квантовая механика, разработанная столетие назад, давно бросает вызов общепринятым представлениям о природе. В ее основе лежит принцип корпускулярно-волнового дуализма, который показывает, что квантовые объекты могут вести себя как волны и как частицы в зависимости от способа наблюдения. Новое исследование Института технологий Стивенса, опубликованное в Physical Review Research, представляет формулу, которая точно определяет взаимосвязь между этими двумя видами поведения.
Корпускулярно-волновой дуализм — это концепция, согласно которой квантовые сущности, такие как фотоны и электроны, ведут себя и как волны, и как частицы. Эксперименты, например, с двумя щелями Юнга, демонстрируют интерференционные картины (волновое поведение), в то время как фотоэлектрический эффект показывает дискретные пакеты энергии (частичное поведение). Луи де Бройль распространил эту идею на материю, предположив, что частицы имеют сопутствующие длины волн. Квантовая механика через уравнение Шрёдингера формализует этот дуализм, показывая, что наблюдаемая природа зависит от измерения. Этот дуализм бросает вызов классической интуиции и лежит в основе таких технологий, как электронная микроскопия и квантовые вычисления.
«Корпускулярно-волновой дуализм — это краеугольный камень квантовой механики», — заявил Сяофэн Цянь, ведущий автор статьи и доцент физики в Стивенсе. «Исследователи пытались количественно оценить корпускулярно-волновой дуализм на протяжении полувека, но это первая полная структура, позволяющая полностью количественно оценить волновое и частичное поведение с помощью оптимальных количественных мер, актуальных на квантовом уровне».
Более ранние модели выражали «волновость» и «частичность» через неравенство, где сумма двух видов поведения была равна или меньше единицы. Это предполагало, что если объект демонстрирует полностью волновые свойства, он не будет проявлять частичных свойств, и наоборот. Однако эти модели допускали сценарии, в которых оба вида поведения могли возрастать одновременно, что противоречило исключительной природе взаимосвязи.
Чтобы решить эту проблему, Цянь и его коллеги ввели когерентность как новую переменную. Когерентность описывает скрытый потенциал волновой интерференции. «Когерентность — сложная концепция, но по сути это скрытое описание потенциала волновой интерференции», — пояснил Цянь. «А общепринятая мера видимости представляет собой количество волновости, которое можно извлечь. Когда мы количественно оцениваем и компенсируем когерентность наряду со стандартными метриками волновости и частичности, мы обнаруживаем, что они в сумме дают ровно единицу».
Анализ команды выявил то, что они называют равенством эллипса дуальности (DE) — замкнутое математическое соотношение, которое объединяет видимость (волновость), предсказуемость (частичность) и когерентность. Эта структура обеспечивает полное воплощение принципа комплементарности Бора, показывая, что взаимодействие этих величин может быть представлено в виде эллипса. В идеально когерентных системах соотношение принимает форму четверти окружности; по мере снижения когерентности эллипс сплющивается.
Исследователи расширили свою структуру на квантовую визуализацию с недетектируемыми фотонами (QIUP) — метод, при котором один из пары запутанных фотонов сканирует апертуру. Если фотон проходит свободно, когерентность остается высокой; если он сталкивается со стенками апертуры, когерентность снижается. Измеряя волновость и частичность запутанного фотона-партнера, команда смогла вывести когерентность и реконструировать форму апертуры. Исследование вводит понятие эллипса дуальности визуализации (IDE), который напрямую связывает корпускулярно-волновой дуализм с профилем пропускания сканируемого объекта. Эта связь позволяет характеризовать объекты исключительно с помощью измерений дуальности и остается устойчивой к экспериментальным несовершенствам, таким как декогеренция и смещение.
«Это показывает, что волновость и частичность квантового объекта могут быть использованы в качестве ресурса в квантовой визуализации, а также, возможно, во многих других задачах квантовой информации или вычислений», — сказал Цянь. Важно отметить, что визуализация оставалась возможной даже тогда, когда внешние факторы, такие как температура или вибрации, снижали общую когерентность. Поскольку эти факторы одинаково влияют как на сценарии с высокой, так и с низкой когерентностью, разницу между ними все же можно обнаружить. «Эллипс сжимается, но мы все равно можем извлечь необходимую нам информацию об объекте», — отметил Цянь.
Полученные результаты продвигают как теоретическое, так и практическое понимание квантового дуализма. Предоставляя систематическую основу для количественной оценки когерентности наряду с волновостью и частичностью, исследование предлагает набор инструментов для оптимизации квантовых технологий, управляемых когерентностью, включая визуализацию и зондирование. Тем не менее, Цянь подчеркнул, что необходимы дальнейшие исследования, особенно в более сложных многопутевых квантовых системах. «Математика делает это выглядящим просто, но нам еще далеко до исчерпания странностей квантовой механики», — сказал он. «Нам еще предстоит исследовать множество рубежей».
Источник: Институт технологий Стивенса, APS
Эта статья была сгенерирована с помощью ИИ и проверена редактором. В соответствии с Разделом 107 Закона об авторском праве 1976 года, этот материал используется в целях новостного освещения. Добросовестное использование — это использование, разрешенное статутом об авторском праве, которое в противном случае могло бы нарушать закон.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Sayan Sen
