Квантовая механика уже сто лет переворачивает наше представление о реальности, показывая мир, где объекты ведут себя то как волны, то как частицы, а их поведение меняется в зависимости от того, наблюдают за ними или нет.

Десятилетиями ученые пытались измерить, насколько квантовый объект «волна» или „частица“, чтобы понять, когда и почему он переключается между этими состояниями. Теперь исследователи из Института технологий Стивенса нашли точную математическую связь между „волновостью“ и „частичностью“.

Результаты опубликованы в издании Physical Review Research.

Как это работает

Раньше считалось, что сумма волновых и частичных свойств не может превышать единицу: если объект ведет себя как чистая волна, его частичные свойства исчезают, и наоборот. Но в некоторых моделях эти свойства почему-то росли одновременно, что противоречило логике.

Авторы новой работы ввели когерентность — скрытый параметр, который описывает способность системы к волновым взаимодействиям. Оказалось, если учесть когерентность, сумма «волновости» и „частичности“ становится ровно единицей, а не просто „меньше или равно“.

Когерентность — степень согласованности волновых свойств квантовой системы. Если представить свет лазера (высокая когерентность) и лампочку (низкая), то в первом случае волны колеблются синхронно, создавая четкую интерференцию, а во втором — хаотично.

Это позволяет точно рассчитать оба параметра. Если представить их графически, идеально когерентная система даст красивую четверть окружности, а при потере когерентности кривая сплющится в эллипс.

Где это пригодится

Например, в квантовой визуализации с запутанными фотонами: один фотон сканирует объект, а по состоянию второго можно определить, прошел ли первый фотон свободно или столкнулся с препятствием. Даже если внешние помехи (вибрации, температура) снижают общую когерентность, разницу между «удачным» и „неудачным“ сценарием все равно можно уловить.

Математика выглядит простой, но квантовая механика все еще полна сюрпризов, — говорит Сяофэн Цянь, ведущий автор исследования.

Это исследование — не просто теория. Оно может:

• Улучшить квантовые компьютеры — точный контроль над «волновостью» и „частичностью“ поможет создавать более стабильные кубиты.
• Сделать квантовую криптографию надежнее — если понимать, как наблюдение влияет на состояние частиц, можно защитить данные от взлома.
• Развить микроскопию нового уровня — методы вроде QIUP позволят сканировать объекты, не разрушая их, что критично в биологии и медицине.

Главный вопрос — насколько модель масштабируется. Пока она проверена на простых системах с двумя состояниями, но в реальных квантовых компьютерах или сложных молекулярных структурах факторов влияния гораздо больше. Не факт, что формула останется такой же точной.

Ранее ученые провели эксперимент Уилера с отложенным выбором и выяснили, как решение экспериментатора влияет на прошлое фотона.