Квантовый мир и информация оказались связаны: разгадан ещё один квантовый парадокс?

Вы когда-нибудь задумывались, что такое свет? С детства мы знаем, что это нечто, благодаря чему мы видим окружающий мир. Но что же он собой представляет? Вопрос этот занимал умы учёных столетиями, и ответ на него оказался куда более странным, чем можно было представить. Оказалось, что свет ведёт себя то как волна, то как частица, будто постоянно меняя свою сущность.

В недавнем выпуске журнала Science Advances вышла статья, описывающая удивительный эксперимент, проведённый учёными из Линчёпингского университета (Швеция) совместно с коллегами из Польши и Чили. Они приоткрыли завесу тайны над одной из самых загадочных особенностей квантового мира — принципом дополнительности, связав его с понятием информации. Но обо всём по порядку.

Свет: волна или частица? И то, и другое!

Представьте себе: в XVII веке Исаак Ньютон считал, что свет — это поток мельчайших частиц. Его современники придерживались другой точки зрения, полагая, что свет — это волна, подобная волнам на воде. Сам Ньютон в конце концов допустил, что, возможно, обе точки зрения верны, но как это может быть? Лишь в XIX веке опыты показали, что свет действительно волна. Казалось бы, вопрос закрыт?

Как бы не так! В начале XX века гениальные умы Макса Планка и Альберта Эйнштейна вновь перевернули всё с ног на голову. Они предположили, что свет всё-таки не просто волна. А в 1920-х годах Артур Комптон экспериментально доказал, что у света есть импульс — свойство, присущее частицам, названным фотонами. Выходит, Ньютон был прав с самого начала! Свет оказался и волной, и частицей одновременно — явление, названное «корпускулярно-волновым дуализмом». Эта двойственность присуща не только свету, но и другим элементарным частицам, например, электронам.

Загадочный принцип дополнительности

Но вот в чём загвоздка: нельзя измерить один и тот же фотон и как волну, и как частицу одновременно. Представьте, что у вас есть хитрый прибор, способный «поймать» фотон. В зависимости от настройки, он покажет вам либо волновую, либо корпускулярную природу света. Это и есть принцип дополнительности, сформулированный Нильсом Бором в 1920-х годах. Он утверждает, что мы не можем одновременно наблюдать оба аспекта квантового объекта.

Информация как ключ к пониманию

Казалось бы, при чём тут информация? А вот при чём! В 2014 году группа исследователей из Сингапура обнаружила математическую связь между принципом дополнительности и тем, сколько информации о квантовой системе нам неизвестно. Они назвали это «энтропийной неопределённостью».

Проще говоря, если мы измеряем, например, волновую характеристику фотона, то информация о его корпускулярных свойствах остаётся для нас тайной, и наоборот. Причём, эта «неизвестная» информация, согласно сингапурским учёным, всегда больше или равна одному биту. Это как если бы у фотона была скрытая сторона, которую мы не можем увидеть напрямую, но она всегда там, в тени.

Эксперимент: подтверждение теории

И вот теперь, возвращаясь к исследованию шведских учёных, мы подошли к самому интересному. Они не просто пересказали теорию сингапурцев, а подтвердили её экспериментально! Как же им это удалось?

Вместо привычного движения света «вверх-вниз» они использовали фотоны, закрученные по спирали. Такой «орбитальный угловой момент», как его называют физики, открывает возможности для будущих практических применений, так как может нести больше информации.

Далее, фотоны пропускались через специальный прибор — интерферометр. Там луч света разделялся на два, а затем, после отражений, эти лучи снова сводились вместе. В зависимости от настройки второго светоделителя, расположенного на пути лучей, фотоны регистрировались либо как волны, либо как частицы. Особенность эксперимента в том, что учёные могли частично вводить второй светоделитель в луч, что позволяло измерять свет в промежуточном состоянии, когда проявляются свойства и волн, и частиц.

Что дальше?

Результаты эксперимента шведских физиков подтвердили, что загадочная связь между принципом дополнительности и количеством неизвестной информации действительно существует. «Мы видим результаты, но не можем увидеть, что происходит внутри эксперимента», — говорит Гильерме Б. Ксавье, один из авторов исследования, — «Это завораживает!».

Пока что у этих результатов нет прямого практического применения. Однако, как утверждают учёные, в будущем они могут найти применение в квантовой связи, метрологии, и даже в криптографии, помогая, например, безопасно передавать ключи шифрования.

А знаете что ещё? Исследователи не собираются останавливаться на достигнутом. В следующих экспериментах они хотят «подловить» фотон в момент, когда он ещё не «решил», кем ему быть — волной или частицей. Для этого они планируют менять настройку второго кристалла прямо перед тем, как фотон его достигнет.

Кто знает, какие ещё тайны квантового мира откроются нам в будущем? Одно можно сказать наверняка: путешествие в этот удивительный мир только начинается, и оно обещает быть невероятно увлекательным!