Eksperyment przeprowadzony na Uniwersytecie w Linköping potwierdza kluczowe teoretyczne powiązanie między mechaniką kwantową a teorią informacji, podkreślając przyszłe implikacje dla technologii kwantowej i bezpiecznej komunikacji.
Badacze z Uniwersytetu w Linköping i ich współpracownicy z powodzeniem potwierdzili istniejącą od dziesięciu lat teorię łączącą zasadę komplementarności – podstawowe pojęcie w mechanice kwantowej – z teorią informacji. Ich badanie opublikowano w czasopiśmie Postęp naukidostarcza cennych spostrzeżeń pozwalających zrozumieć przyszłą komunikację kwantową, metrologię i kryptografię.
„Nasze wyniki nie mają obecnie jasnego ani bezpośredniego zastosowania. To podstawowe badania, które kładą podwaliny pod przyszłe technologie w zakresie informacji kwantowej i komputerów kwantowych. Istnieje ogromny potencjał zupełnie nowych odkryć w wielu różnych dziedzinach badań” – mówi Guilherme B Xavier, badacz komunikacji kwantowej na Uniwersytecie Linköping w Szwecji.
Kontekst historyczny dualizmu falowo-cząsteczkowego
Aby zrozumieć, co wykazali badacze, musimy zacząć od początku. To, że światło może być zarówno cząstką, jak i falą, jest jedną z najbardziej nielogicznych – ale jednocześnie fundamentalnych – cech mechaniki kwantowej. Nazywa się to dualizmem korpuskularno-falowym.
Teoria ta sięga XVII wieku, kiedy Izaak Newton zasugerował, że światło składa się z cząstek. Inni współcześni uczeni wierzyli, że światło składa się z fal. Newton w końcu zasugerował, że może to być jedno i drugie, nie będąc w stanie tego udowodnić. W XIX wieku kilku fizyków przeprowadziło różne eksperymenty, które wykazały, że światło w rzeczywistości składa się z fal.
Jednak na początku XX wieku zarówno Max Planck, jak i Albert Einstein podważyli teorię, że światło to tylko fale. Jednak dopiero w latach dwudziestych XX wieku fizyk Arthur Compton mógł wykazać, że światło ma również energię kinetyczną, co jest klasyczną właściwością cząstek. Cząstki nazwano fotonami. Stwierdzono zatem, że światło może być zarówno cząstkami, jak i falami, dokładnie tak, jak sugerował Newton. Elektrony i inne cząstki elementarne również wykazują tę dwoistość falowo-cząsteczkową.
Zasada komplementarności i niepewność entropiczna
Nie da się jednak zmierzyć tego samego foton w postaci fali i cząstki. W zależności od sposobu pomiaru fotonu widoczne są fale lub cząstki. Jest to znane jako zasada komplementarności, opracowana przez Nielsa Bohra w połowie lat dwudziestych XX wieku. Stwierdza, że niezależnie od tego, co zdecydujemy się zmierzyć, kombinacja charakterystyk fal i cząstek musi być stała.
W 2014 roku zespół badawczy z Singapuru wykazał matematycznie bezpośredni związek pomiędzy zasadą komplementarności a stopniem nieznanej informacji w układzie kwantowym, tzw. niepewnością entropiczną. To połączenie oznacza, że niezależnie od tego, jaką kombinację fali lub cząstki charakterystycznej dla układu kwantowego rozpatrzymy, ilością nieznanej informacji jest co najmniej jeden bit informacji, czyli niemierzalna fala lub cząstka.
Eksperymentalne potwierdzenie Uniwersytetu w Linköping
Naukowcy z Uniwersytetu w Linköping wraz z kolegami z Polski i Chile potwierdzili teraz teorię singapurskich badaczy w rzeczywistości za pomocą nowego rodzaju eksperymentu.
„Z naszego punktu widzenia jest to bardzo bezpośredni sposób pokazania podstawowych zachowań mechaniki kwantowej. To typowy przykład fizyki kwantowej, gdzie możemy zobaczyć wyniki, ale nie możemy sobie wyobrazić, co dzieje się wewnątrz eksperymentu. A mimo to można go wykorzystać do zastosowań praktycznych. To bardzo fascynujące i niemal na granicy filozofii” – mówi Guilherme B Xavier.
W nowym układzie eksperymentu badacze z Linköping wykorzystali fotony poruszające się do przodu ruchem kołowym, zwanym orbitalnym momentem pędu, w przeciwieństwie do bardziej powszechnego ruchu oscylacyjnego, czyli w górę i w dół. Wybór orbitalnego momentu pędu pozwala na przyszłe praktyczne zastosowania eksperymentu, ponieważ może zawierać więcej informacji.
Pomiarów dokonuje się w instrumencie powszechnie używanym w badaniach, zwanym interferometrem, gdzie fotony są wystrzeliwane w kryształ (rozdzielacz wiązki), który dzieli drogę fotonów na dwie nowe ścieżki, które następnie są odbijane tak, aby przecinały się na drugi rozdzielacz wiązki, a następnie mierzony jako cząstki lub fale, w zależności od stanu tego drugiego urządzenia.
Jedną z rzeczy, która czyni ten eksperyment wyjątkowym, jest to, że badacze mogą częściowo umieścić drugi rozdzielacz wiązki na drodze światła. Umożliwia to pomiar światła w postaci fal, cząstek lub ich kombinacji w tej samej konfiguracji.
Zdaniem naukowców odkrycie może mieć wiele przyszłych zastosowań w komunikacji kwantowej, metrologii i kryptografii. Ale na poziomie podstawowym jest jeszcze dużo więcej do odkrycia.
„W naszym następnym eksperymencie chcemy obserwować zachowanie fotonu, jeśli zmienimy ustawienie drugiego kryształu tuż przed dotarciem fotonu. Pokazałoby to, że możemy wykorzystać tę eksperymentalną konfigurację w komunikacji do bezpiecznej dystrybucji kluczy szyfrujących, co jest bardzo ekscytujące” – mówi Daniel Spegel-Lexne, doktorant na Wydziale Elektrotechniki.
Odniesienie: „Eksperymentalna demonstracja równoważności niepewności entropicznej z dualnością falowo-cząsteczkową” Daniela Spegel-Lexne, Santiago Gómeza, Joakima Argillandera, Marcina Pawłowskiego, Pedro R. Diegueza, Alvaro Alarcóna i Guilherme B. Xaviera, 6 grudnia 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adr2007
