Орбітальні кутові стани світла використовувалися для зв'язку квантової невизначеності з корпускулярно-хвильовим дуалізмом. Експеримент був проведений фізиками в Європі та підтвердив теоретичне передбачення 2014 року про те, що мінімальний рівень невизначеності завжди має виникати при вимірі квантового об'єкта — незалежно від того, чи об'єкт спостерігається як хвиля, як частка або десь між ними.
У знаменитому уявному експерименті з двома щілинами квантові частинки, такі як електрони, вистрілюються по одній у дві сусідні щілини у бар'єрі. З часом на детекторі за бар'єром формуватиметься інтерференційна картина. Це приклад корпускулярно-хвильового дуалізму у квантовій механіці, при якому кожна частка проходить через обидві щілини як хвиля, яка інтерферує сама з собою. Однак, якщо траєкторії частинок спостерігаються таким чином, що відомо, через яку щілину пройшла кожна частка, інтерференційна картина не спостерігається. З 1970-х років у лабораторії було проведено кілька різних версій експерименту, що підтвердило квантову природу реальності.
Річард Файнман одного разу описав це як явище, яке неможливо, абсолютно неможливо пояснити ніяким класичним способом, і яке містить у собі серце квантової механіки. Насправді воно містить у собі єдину загадку [квантової механіки]». Це явище відоме як невизначеність виміру.
Часткові частки
У 1979 році Вільям Вуттерс та його колега Войцех Журек із Техаського університету в Остіні показали, що корпускулярно-хвильовий дуалізм не є явищем типу «один чи інший». Натомість можна спостерігати часткову поведінку частинок і часткову хвилеподібну поведінку з компромісом між ними.
Це перегукується з іншим елементом квантової механіки, що збиває з пантелику, а саме з невизначеністю підготовки. Це втілює принцип невизначеності Вернера Гейзенберга. Він говорить, що неможливо дізнатися про положення та імпульс квантового об'єкта за межами певного ступеня точності, і чим більше ми знаємо про одне, тим невизначенішим стає інше.
Попри твердження Файнмана про те, що квантова механіка містить лише одну справжню загадку, очевидного теоретичного зв'язку між невизначеністю виміру та невизначеністю підготовки немає. Однак у 2014 році Патрік Коулз та його колеги з Національного університету Сінгапуру теоретично показали, що ці два явища еквівалентні. Однак, це ніколи не було експериментально продемонстровано.
Сполучені змінні
У новій роботі Гільєрме Ксав'є та його колеги з Університету Лінчепінга у Швеції вирішили перевірити зв'язок між видимістю та помітністю протилежних станів, які, згідно з передбаченнями Коулза, повинні бути пов'язані змінними, аналогічними стану та імпульсу. Вони відправили сильно ослаблені, переважно однофотонні лазерні імпульси у двох можливих ортогональних орбітальних кутових станах по оптоволокну до вхідного світлорозділювача. Фотони з протилежними кутовими моментами виходили через різні вихідні волокна.
Потім дослідники використовували фазовий модулятор, щоб додати змінну затримку фази до фотонів, що рухаються одним зі шляхів. Потім вони направили шляхи так, щоб вони знову зустрілися на другому, налаштованому світлорозділювачі.
Помістивши другий модулятор перед світлорозділювачом і тим самим відрегулювавши фазу, з якою зустрічалися два шляхи, можна було налаштувати ступінь, в якому шляхи рекомбінувалися. Це дозволяло їм контролювати ступінь, в якому другий світлорозділювач фактично поводився як світлорозділювач.
«Коли світлорозділювач повністю вставлений, ви отримуєте інтерференцію назад — це відповідає значенню в модуляторі π/2», — пояснює Ксав'є.
Фіксований нижній кордон
Цей останній випадок відповідає картині частинок, але він не дає жодної інформації у тому, який шлях пройшла конкретна частка через детектор. Єдиний спосіб отримати цю інформацію - повністю запобігти попаданню однієї з поляризацій світла в другий світлорозділювач - еквівалент блокування однієї зі щілин в експерименті з двома щілинами. Однак у цьому випадку половина фотонів взагалі ніколи не виявляється. Таким чином, існує неперевершений компроміс між помітністю та видимістю. Вони виявили, що незалежно від того, що вони обрали як фазу, існує фіксована нижня межа невизначеності вимірювання, яка узгоджується з теорією, представленою у 2014 році Коулзом та колегами.
Команда Лінчепінга планує розробити практичне застосування своєї технології. «Ми можемо досить швидко змінювати налаштування», — каже Ксав'є, — «тому наша мета розглянути реалізацію деяких реальних протоколів квантового зв'язку з використанням таких вимірювань — ми розглядаємо деякі експерименти з відкладеним вибором на основі цієї установки».
Фізик-теоретик Йонас Мазієро з Федерального університету Санта-Марія у Бразилії вражений роботою. «Експеримент інноваційний, він точний, дуже добре узгоджується з теорією і підтверджує важливий результат, який був в теорії більше ніж десять років», — говорить він.
Однак він попереджає, що робота не повністю підтверджує пророкування Коулза. «Результат, представлений [Ксав'є та колегами], застосований до відносин на основі розрізняльності та комплементарності, які використовують детектори шляху для кількісної оцінки поведінки квантової системи, подібної до частки. Є й інші, що ґрунтуються на передбачуваності та використанні заплутаності, які не містяться в цій структурі». За його словами, було б цікаво розширити дослідження, аби спробувати охопити усі випадки.
