חוקרים מאוניברסיטת לינקופינג יחד עם עמיתים מפולין וצ'ילה אישרו תיאוריה המציעה קשר בין עקרון ההשלמה לבין אי ודאות אנטרופית. המחקר שלהם הואפורסםביומןהתקדמות המדע.
"לתוצאות שלנו אין יישום ברור או ישיר כרגע. זהו מחקר בסיסי שמניח את הבסיס לטכנולוגיות עתידיות במידע קוונטי ובמחשבים קוונטיים. יש פוטנציאל עצום לתגליות חדשות לגמרי בתחומי מחקר רבים ושונים", אומר גילרמה ב. קסבייר, חוקר בתקשורת קוונטית באוניברסיטת לינקופינג, שבדיה.
אבל כדי להבין מה החוקרים הראו, אנחנו צריכים להתחיל בהתחלה.
זה שאור יכול להיות גם חלקיקים וגם גלים הוא אחד המאפיינים הכי לא הגיוניים - אך בו בזמן הבסיסיים - של מכניקת הקוונטים. זה נקרא דואליות גל חלקיקי.
התיאוריה מתוארכת למאה ה-17 כאשר אייזק ניוטון הציע שהאור מורכב מחלקיקים. חוקרים בני זמננו אחרים האמינו שהאור מורכב מגלים. ניוטון הציע לבסוף שזה יכול להיות שניהם, מבלי שיוכל להוכיח זאת. במאה ה-19, כמה פיזיקאים בניסויים שונים הראו שהאור למעשה מורכב מגלים.
אבל בסביבות תחילת שנות ה-1900, גם מקס פלאנק וגם אלברט איינשטיין קראו תיגר על התיאוריה שאור הוא רק גלים. עם זאת, רק בשנות העשרים של המאה ה-20 הצליח הפיזיקאי ארתור קומפטון להראות שלאור יש גם אנרגיה קינטית, תכונה קלאסית של חלקיקים.
החלקיקים נקראו פוטונים. לפיכך, הגיע למסקנה שאור יכול להיות גם חלקיקים וגם גלים, בדיוק כפי שהציע ניוטון. גם אלקטרונים וחלקיקים יסודיים אחרים מציגים את הדואליות הזו של גל חלקיקי.
אבל לא ניתן למדוד את אותו פוטון בצורה של גל וחלקיק. בהתאם לאופן שבו מתבצעת מדידת הפוטון, נראים גלים או חלקיקים. זה ידוע כעקרון ההשלמה והוא פותח על ידי נילס בוהר באמצע שנות ה-20. הוא קובע שלא משנה מה מחליטים למדוד, השילוב של מאפייני גל וחלקיקים חייב להיות קבוע.
בשנת 2014, צוות מחקר מסינגפור הדגים מבחינה מתמטית קשר ישיר בין עקרון ההשלמה למידת המידע הבלתי ידוע במערכת קוונטית, מה שנקרא אי הוודאות האנטרופית.
חיבור זה אומר שלא משנה באיזה שילוב של גל או חלקיק מאפיין מערכת קוונטית מסתכלים, כמות המידע הבלתי ידוע היא לפחות סיבית מידע אחת, כלומר הגל או החלקיק הבלתי ניתן למדידה.
במחקר החדש, החוקרים הצליחו כעת לאשש את התיאוריה של החוקרים הסינגפוריים במציאות בעזרת סוג חדש של ניסוי.
"מנקודת המבט שלנו, זו דרך מאוד ישירה להראות התנהגות מכאנית קוונטית בסיסית. זו דוגמה טיפוסית לפיזיקה קוונטית שבה אנחנו יכולים לראות את התוצאות, אבל אנחנו לא יכולים לדמיין מה קורה בתוך הניסוי. ובכל זאת זה יכול לשמש ליישומים מעשיים. זה מאוד מרתק וכמעט גובל בפילוסופיה", אומר גילרמה בי קסבייר.
במערך הניסוי החדש שלהם, החוקרים של Linköping השתמשו בפוטונים הנעים קדימה בתנועה מעגלית, הנקראת תנע זוויתי מסלולי, בניגוד לתנועת התנודה הנפוצה יותר, שהיא מעלה ומטה. הבחירה במומנטום זוויתי מסלול מאפשר יישומים מעשיים עתידיים של הניסוי, מכיוון שהוא יכול להכיל מידע נוסף.
יואקים ארגילנדר ודניאל שפגל-לקסן, Ph.D. סטודנטים במחלקה להנדסת חשמל ב- LiU. © מגנוס ג'והנסון
המדידות נעשות במכשיר נפוץ במחקר, הנקרא אינטרפרומטר, שבו הפוטונים נורים על גביש (מפצל אלומה) המפצל את נתיב הפוטונים לשני נתיבים חדשים, אשר משתקפים לאחר מכן כדי לחצות זה את זה. על מפצל קרן שני ולאחר מכן נמדד כחלקיקים או גלים בהתאם למצב של המכשיר השני הזה.
גלה את החידושים האחרונים בתחום המדע, הטכנולוגיה והחלל עם מעל100,000 מנוייםשמסתמכים על Phys.org לתובנות יומיומיות.
הירשמו לשלנוניוזלטר בחינםולקבל עדכונים על פריצות דרך,
חידושים ומחקרים שחשובים -יומי או שבועי.
ראה גם
אחד הדברים שהופכים את מערך הניסוי הזה למיוחד הוא שניתן להחדיר חלקית את מפצל האלומות השני על ידי החוקרים לנתיב האור. זה מאפשר למדוד אור כגלים, או חלקיקים, או שילוב שלהם באותו מערך.
לדברי החוקרים, לממצאים עשויים להיות יישומים עתידיים רבים בתקשורת קוונטית, מטרולוגיה והצפנה. אבל יש גם עוד הרבה מה לחקור ברמה הבסיסית.
"בניסוי הבא שלנו, אנחנו רוצים לראות את התנהגות הפוטון אם נשנה את ההגדרה של הגביש השני ממש לפני שהפוטון מגיע אליו. זה יראה שאנחנו יכולים להשתמש במערך הניסיוני הזה בתקשורת כדי להפיץ בצורה מאובטחת מפתחות הצפנה, וזה מאוד מרגש", אומר דניאל ספגל-לקסן, Ph.D. סטודנט במחלקה להנדסת חשמל.
מידע נוסף:
Daniel Spegel-Lexne וחב', הדגמה ניסויית של השקילות של אי ודאות אנטרופית עם דואליות גל חלקיקי,התקדמות המדע(2024).DOI: 10.1126/sciadv.adr2007.www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr2007
מסופק על ידי
אוניברסיטת לינקופינג
צִיטָטָה:
הניסוי מאמת את הקשר בין תורת הקוונטים לתורת המידע (2024, 6 בדצמבר)
