Квантовые системы скрывают тайны: физики подтвердили теорию о частицах света.

В начале XX века физик Нильс Бор выдвинул предположение о том, что, хотя частицы света, известные как фотоны, обладают двойственной природой, проявляясь как волны и как частицы, одновременно наблюдать эту двойственность невозможно. Это явление называется принципом дополнительности. Десять лет назад ученые продемонстрировали, что данная двойственность связана с энтропийной неопределенностью. То есть некоторая информация о фотоне, например, является ли он волной или частицей, всегда останется неизвестной. Энтропийная неопределенность связывает принцип дополнительности с уровнем неизвестной информации в квантовой системе. Уровень неизвестной информации представляет собой предел того, что можно знать о квантовой системе в конкретный момент времени. Считалось, что квантовые системы всегда сохраняют некоторую степень непредсказуемости или же хранят определенные секреты. До недавнего времени это было лишь теорией. Однако теперь физики во время эксперимента подтвердили, что двойственная природа фотонов действительно регулируется энтропийной неопределенностью. Исследование опубликовано в журнале Science Advances, сообщает Iinteresting Engineering.

Физики предположили, что фотоны в процессе кругового движения с большей вероятностью раскроют информацию о своей двойственной природе по сравнению с колебательными движениями вверх-вниз. В связи с этим ученые во время эксперимента направляли фотоны, движущиеся по кругу, в интерферометр.

Интерферометр — это устройство, которое разделяет световой луч таким образом, что он проходит двумя маршрутами, а затем объединяется в одной точке. Внутри интерферометра фотоны сначала проходили через кристалл, который служил первым разделителем светового луча. Оба маршрута луча света отражались и пересекались на другом разделителе света.

В зависимости от настроек второго разделителя света, фотоны можно измерять либо как волны, либо как частицы. Однако физики решили одновременно измерить двойственную природу фотонов с помощью специальной настройки второго разделителя света.

Ученым удалось наблюдать поведение фотонов в виде волны и частицы одновременно, но только частично. Чем лучше удавались попытки измерить волновую природу фотона, тем сложнее становилось измерять его природу как частицы.

Этот эксперимент продемонстрировал, что, несмотря на все усилия физиков, невозможно полностью наблюдать двойственную природу фотона в квантовой системе одновременно. Некоторая информация всегда остается неопределенной, что также является ключевой идеей энтропийной неопределенности.

Новый эксперимент не только продемонстрировал связь между принципом дополнительности и уровнем неизвестной информации, но также связал квантовую теорию с теорией информации.

Это исследование объясняет поведение фотонов на квантовом уровне, и физики считают, что результаты их эксперимента могут быть использованы для разработки более эффективных методов хранения, обработки и передачи информации, основанных на квантовых вычислениях.