Бристольские ученые измерили квантовую дуальность

Из чего сделан свет: из волн или частиц? Этот фундаментальный вопрос волнует физиков с ранних дней развития науки.

Квантовая механика прогнозирует, что частицы света, фотоны, одновременно являются и частицами, и волнами. Опубликовав отчет в издании Science, физики продемонстрировали дуальность фотонов.

История науки отмечена интенсивными спорами между частичной и волновой теориями света. Исаак Ньютон был основным защитником теории частиц, а Джеймс Клерк Максвелл и его успешная теория электромагнетизма подтвердили теорию волн. Однако все изменилось в 1905 году, когда Эйнштейн показал, как можно объяснить фотоэлектрический эффект (до тех пор совершенная тайна), используя идею, с которой свет состоит из частиц — фотонов. Это открытие существенно повлияло на физику и способствовало развитию квантовой механики — наиболее точной научной теории, разработанной до сих пор.

Несмотря на успех, квантовая механика во многом противоречит интуиции. Действительно, теория прогнозирует с удивительной точностью поведение маленьких объектов, таких как атомы и фотоны. Однако, если посмотреть на эти прогнозы пристальней, мы признаем, что они удивительно спорны. Например, квантовая теория предсказывает, что частица (например, фотон) может в одно и то же время находиться в разных местах. Фактически, в бесконечно многих местах в одно и то же время, как волна. Отсюда и понятие дуальности частицы и волны, фундаментальное для всех квантовых систем.

Удивительно, когда мы наблюдаем за фотоном, он ведет себя или как частица, или как волна. Но в обоих состояниях одновременно его не застать. Его поведение зависит от типа измерения. В последние несколько лет подобные удивительные феномены исследовались экспериментально, с использованием измерительных устройств, которые могут переключаться между измерениями волн и частиц.

В работе, опубликованной в издании Science, физики дали новый виток этим идеям. Доктор Альберто Пераццо, Питер Шадболт и профессор Джереми О'Брайен из Центра квантовой фотоники университетя Бристоля в сотрудничестве с экспертами по квантовой теории доктором Николасом Брюннером и профессором Санду Попеску разработали новый тип измерительного устройствва, которые способен одновременно измерять и поведение частицы, и поведение волны. Это новое устройство приводится в дейтвие еще одним противоречащим интуиции квантовым эффектом — квантовой нелокальностью.

«Измерительное устройство выявило сильную нелокальность, которая подтвердила, что фотон в нашем эксперименте одновременно ведет себя и как частица, и как волна. Это всерьез опровергает модели, в которых фотон представлен только либо тем, либо другим», заявил доктор Пераццо.

„Для проведения исследования мы применили квантовый фотонный чип, новейшую технологию, введенную университетом Бристоля. Чип переконфигурируется, а потому его можно программировать и управлять им для реализации различных цепей. Сегодня данная технология — ведущий метод в процессе по созданию квантового компьютера, и в будущем он позволит проводить все более сложные исследования фундаментальных аспектов квантовых феноменов“, заключил профессор О'Брайен.

02.11.2012