Квантові системи завжди матимуть секрети: фізики підтвердили теорію частинок світла
Новий експеримент показав, що природу фотона як хвилі, або як частинки, не можна повністю побачити одночасно через ентропійну невизначеність.
На початку XX століття фізик Нільс Бор припустив, що, хоча частинки світла, тобто фотони, мають двоїсту природу, тобто поводяться і як хвиля, і як частка, неможливо спостерігати одночасно цю двоїстість. Це називається принципом додатковості. 10 років тому фізики показали, що ця подвійність пов'язана з ентропійною невизначеністю. Тобто деяка інформація про фотон, наприклад, чи є він хвилею, чи частинкою, завжди залишатиметься невідомою. Ентропійна невизначеність пов'язує принцип додатковості зі ступенем невідомої інформації у квантовій системі. Ступінь невідомої інформації — це межа того, що можна знати про квантову систему в даний момент часу. Передбачалося, що квантові системи завжди зберігають деякий рівень непередбачуваності або ж завжди зберігають деякі секрети. Досі це була лише теорія. Тепер же фізики під час експерименту підтвердили, що двоїста природа фотонів дійсно регулюється ентропійною невизначеністю. Дослідження опубліковано в журналі Science Advances, пише Iinteresting Engineering.
У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!
Фізики припустили, що фотони під час кругового руху з більшою ймовірністю відкриють інформацію про свою двоїсту природу, аніж під час коливальних рухів вгору-вниз. Тому вчені під час експерименту направляли фотони, які рухаються по колу, в інтерферометр.
Інтерферометр — це пристрій, який розділяє промінь світла таким чином, що він рухається двома маршрутами, а потім з'єднується в одному місці. Усередині інтерферометра фотони спочатку проходили через кристал, який діяв як перший роздільник променя світла. Обидва маршрути променя світла відбивалися і перетиналися один з одним на іншому роздільнику світла.
Залежно від того, як налаштований другий роздільник світла, фотони можна виміряти або як хвилі, або як частинки. Але фізики вирішили виміряти двоїсту природу фотонів одночасно за допомогою спеціального налаштування другого роздільника світла.
Вченим вдалося побачити поведінку фотонів у вигляді хвилі і у вигляді частинки одночасно, але тільки частково. Чим краще вдалися спроби виміряти хвильову природу фотона, тим гірше вдавалося виміряти природу фотона, як частинки.
Цей експеримент показав, що як би не старалися фізики, ніколи не можна повністю спостерігати одночасно двоїсту природу фотона у квантовій системі. Деяка інформація завжди залишається невизначеною, що також є основною ідеєю ентропійної невизначеності.
Новий експеримент не тільки показав зв'язок між принципом додатковості та ступенем невідомої інформації, а й пов'язав квантову теорію з теорією інформації.
Це дослідження пояснює поведінку фотонів у квантовому масштабі, і фізики вважають, що результати їхнього експерименту можна використати для розроблення кращих способів зберігання, оброблення та передавання інформації, заснованих на квантових обчисленнях.
Як уже писав Фокус, нещодавно фізики змогли вперше побачити, яку форму має окремий фотон.
Ще Фокус писав про те, що фізики нарешті розкрили таємниці нейтронів. Завдяки десятирічному експерименту вченим вдалося поглибити знання про квантову структуру нейтронів.
Також Фокус писав про те, що астронавт NASA сфотографував дві найближчі до нас галактики з космічного корабля. Астронавт Дон Петтіт зробив знімки галактик Велика і Мала Магелланова Хмара, коли Міжнародна космічна станція пролітала над Тихим океаном на висоті 416 км.