Патрик Коулз, Енджей Каневски и Стефани Венер совершили прорыв в Центре квантовых технологий Национального университета Сингапура. Они обнаружили, что «дуальность волна-частица» — это просто замаскированный квантовый «принцип неопределенности», сводящий две загадки к одной.
«Связь между неопределенностью и дуальностью волна-частица проявляется очень естественно, когда вы рассматриваете их как вопросы о том, какую информацию вы можете получить о системе. Наш результат подчеркивает силу мышления о физике с точки зрения информации», — говорит Венер, Сейчас является доцентом QuTech в Делфтском технологическом университете в Нидерландах.
Это открытие углубляет наше понимание квантовой физики и может подсказать идеи для новых приложений дуальности волна-частица.Дуализм волна-частица — это идея о том, что квантовый объект может вести себя как волна, но что поведение волны исчезает, если вы пытаетесь определить местонахождение объекта. Проще всего это увидеть в эксперименте с двойной щелью, когда отдельные частицы, скажем, электроны, выстреливают одна за другой на экран, содержащий две узкие щели.
Частицы скапливаются за щелями не двумя кучками, как это делали бы классические объекты, а полосатым рисунком, как и следовало ожидать от интерферирующих волн. По крайней мере, это то, что происходит, пока вы не посмотрите, через какую щель проходит частица — сделайте это, и картина интерференции исчезнет.
Принцип квантовой неопределенности — это идея о том, что невозможно узнать определенные пары вещей о квантовой частице сразу. Например, чем точнее вы знаете положение атома, тем менее точно вы можете знать скорость, с которой он движется. Это предел фундаментальной познаваемости природы, а не утверждение навыков измерения. Новая работа показывает, что то, что вы можете узнать о волне и о поведении частицы в системе, ограничено точно таким же образом.
Двойственность волны-частицы и неопределенность были фундаментальными понятиями в квантовой физике с начала 1900-х годов. «Мы руководствовались интуицией, и только интуицией, что связь должна быть», — говорит Коулз, который сейчас является научным сотрудником Института квантовых вычислений в Ватерлоо, Канада.Можно написать уравнения, которые фиксируют, сколько можно узнать о парах свойств, на которые влияет принцип неопределенности. Коулз, Каневски и Венер являются экспертами в форме таких уравнений, известных как «отношения энтропийной неопределенности», и они обнаружили, что все математические методы, ранее использовавшиеся для описания дуальности волна-частица, могут быть переформулированы в терминах этих соотношений.
«Это было похоже на открытие« Розеттского камня », который соединил два разных языка», — говорит Коулз. «Литература о дуальности волна-частица была похожа на иероглифы, которые мы теперь могли переводить на наш родной язык. У нас было несколько моментов эврики, когда мы наконец поняли, что сделали люди», — говорит он.Поскольку использованные в их переводе соотношения энтропийной неопределенности также использовались для доказательства безопасности квантовой криптографии — схем для безопасной связи с использованием квантовых частиц — исследователи предполагают, что эта работа может помочь вдохновить новые протоколы криптографии.В более ранних работах Венер и его сотрудники обнаружили связь между принципом неопределенности и другой физикой, а именно квантовой «нелокальностью» и вторым законом термодинамики.
Следующая дразнящая цель исследователей — подумать о том, как эти части сочетаются друг с другом и какую большую картину рисует то, как устроена природа.