Сто лет назад квантовая механика изменила наше представление о природе, показав, что частицы могут вести себя как волны и наоборот, причем их поведение может зависеть от самого факта наблюдения. Одним из ее краеугольных камней стала дуальность волна-частица, суть которой в том, что квантовые объекты могут проявлять как волновые, так и корпускулярные свойства. Но насколько именно? И можно ли их измерить с точностью?
Ученые из Института технологий Стивенса (США) предложили точную формулу, которая впервые количественно описывает взаимосвязь этих двух свойств. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Research. Как объясняет ведущий автор работы, физик Сяофэн Цянь, речь идет не просто об очередной модели, а о завершенной математической структуре, позволяющей рассчитать уровень «волновости» и «частичности» с высокой точностью.
Ранее физики описывали дуальность волна-частица через неравенство: сумма признаков волнового поведения (например, интерференционные узоры) и признаков частичного поведения (например, предсказуемость траектории) не должна превышать единицу. Однако такая модель допускала, что оба свойства могут одновременно расти, что противоречит самой сути квантовой дуальности.
Решение пришло в виде введения новой переменной — когерентности. Этот параметр характеризует потенциальную способность системы демонстрировать интерференцию, даже если она еще не проявилась. Ученые выяснили: если учесть когерентность наряду с классическими метриками, то сумма «волновости», «частичности» и «скрытой когерентности» всегда строго равна единице. Это позволило перейти от приблизительных моделей к точным численным значениям.
На графике новое соотношение изображается в виде четверти круга, если когерентность максимальна, и уплощенного эллипса при ее снижении, например, из-за теплового шума или вибраций. Но даже в таких условиях, как показали эксперименты, полезная информация не теряется.
Практическое подтверждение теории исследователи продемонстрировали с помощью квантовой визуализации с незафиксированными фотонами (QIUP). Один из пары запутанных фотонов проходил через отверстие, а второй использовался для измерения изменений в когерентности. Так удалось «реконструировать» форму объекта без прямого взаимодействия с ним.
Это означает, что соотношение волна-частица становится информационным ресурсом для квантовой визуализации и вычислений. Даже в условиях деградирующей когерентности метод позволяет извлекать полезные данные — эллипс «сжимается», но разница сохраняется.
Исследование открывает новые горизонты для фундаментальной физики и квантовых технологий. В будущем ученые планируют расширить модель на более сложные многопутевые сценарии — где уже не два, а много возможных состояний и путей.
Ранее Наука Mail писала, что мир находится в ожидании квантового компьютера, который должен появиться к 2033 году.