Med hjälp av en ny typ av experiment har forskare vid bland annat Linköpings universitet lyckats bekräfta en tio år gammal teoretisk studie som säger att en av de mest fundamentala aspekterna inom kvantmekaniken – komplementaritet – kan kopplas ihop med så kallad informationsteori. Studien är publicerad i tidskriften Science Advances och kan på sikt bana väg för bättre kvantkommunikation, mätteknik och kryptografi.
– Våra resultat har ingen tydlig eller direkt tillämpning just nu. Det är grundforskning som i sin tur lägger grunden för framtida teknologier inom kvantinformation och kvantdatorer. Där är potentialen enorm för helt nya upptäckter inom många olika forskningsfält, säger Guilherme B Xavier, forskare inom kvantkommunikation vid Linköpings universitet.
Men för att förstå vad Linköpingsforskarna visat får vi ta det från början.
Att ljus kan vara både partiklar och vågor är ett av de mest ologiska – men samtidigt grundläggande – kännetecknen inom kvantmekaniken. Det kallas våg-partikeldualitet.
Teorin sträcker sig ända tillbaka till 1600-talet då Isaac Newton föreslog att ljus består av partiklar. Andra samtida forskare menade att ljus är vågor. Newton föreslog till slut att det nog kanske kunde vara både och, utan att för den sakens skull kunna bevisa det. Under 1800-talet visade flera fysiker i olika experiment att ljus faktiskt är vågor.
Men runt 1900-talets början utmanade både Max Planck och Albert Einstein teorin om att ljus endast är vågor. Det dröjde dock ända in på 1920-talet innan fysikern Arthur Compton kunde visa att ljus också hade rörelseenergi, en egenskap som är klassisk för partiklar. Partiklarna fick namnet fotoner. Därmed drogs slutsatsen att ljus kan vara både och precis som Newton föreslog. Även elektroner och andra elementarpartiklar uppvisar denna våg-partikeldualitet.
Men det går inte att mäta en foton i form av våg och partikel samtidigt. Beroende på hur mätningen görs kan en enskild foton endast observeras antingen som våg eller partikel. Fenomenet är känt som komplementaritet och utvecklades av den danske fysikern Niels Bohr i mitten av 1920-talet. Det säger att oavsett vad man bestämmer sig för att mäta, så måste kombinationen av våg- och partikelegenskaper vara konstant.
År 2014 kunde en forskargrupp från Singapore matematiskt visa en direkt koppling mellan komplementaritet och mängden okänd information i ett kvantsystem, så kallad entropisk osäkerhet, ett centralt begrepp inom informationsteori. Inom informationsteori studeras bland annat hur mycket information som kan överföras mellan sändare och mottagare.
Den här kopplingen betyder att oavsett vilken kombination av våg- och partikelegenskaper man tittar på i ett kvantsystem, är mängden okänd information alltid minst en bit information, det vill säga det omätbara – mättes vågen gick det inte att mäta partikeln. Nu har forskare från Linköpings universitet, tillsammans med kollegor från Polen och Chile, lyckats bekräfta Singaporeforskarnas teori i verkligheten med hjälp av en ny typ av experiment.
– Från vårt perspektiv är det ett väldigt direkt sätt att visa ett grundläggande kvantmekaniskt beteende. Det är ett typiskt exempel i kvantfysiken där vi kan observera resultatet men vi kan inte visualisera vad som händer inuti experimentet. Och ändå kan det användas i praktiska tillämpningar. Det är väldigt fascinerande och angränsar nästan till filosofi, säger Guilherme B Xavier.
I sin nya experimentuppställning använde Linköpingsforskarna fotoner som rör sig framåt i en cirkulär rörelse (orbital angular momentum, OAM), till skillnad från den vanligare oscillerande rörelsen, som är upp och ner. Det används för att mätningarna ska kunna få en mer praktisk tillämpning då OAM innehåller mer information.
Mätningarna görs i ett, inom forskningen vanligt, instrument som kallas interferometer där fotonerna skickas mot en kristall (beam splitter) som delar upp fotonernas väg till två nya vägar. De två ljusvägarna reflekteras sedan för att korsa varandra till en andra kristall för att sedan mätas som antingen partiklar eller vågor beroende på tillståndet hos den andra kristallen.
En av sakerna som gör denna experimentuppställning speciell är att forskarna kan föra in den andra kristallen delvis i ljusets väg. Det möjliggör att ljuset kan mätas som vågor eller som partiklar eller som en kombination av båda i samma uppställning.
Enligt forskarna kan fynden kan få många framtida tillämpningar inom kvantkommunikation, mätteknik och kryptografi. Men det finns också mycket mer att utforska på en grundläggande nivå.
– I nästa experiment vill vi observera fotonens beteende om vi ändrar inställningen på den andra kristallen precis innan fotonen kommer fram till den. Det skulle visa att vi kan använda den här experimentella uppsättningen inom kommunikation för att säkert kunna distribuera krypteringsnycklar vilket är väldigt spännande, säger Daniel Spegel-Lexne, doktorand vid Institutionen för systemteknik.
Projektet finansierades av Zenith vid Linköpings universitet och Wallenberg Center for Quantum Technologies, WACQT.
Artikeln: Experimental demonstration of the equivalence of entropic uncertainty with wave-particle duality, Daniel Spegel-Lexne, Santiago Gómez, Joakim Argillander, Marcin Pawłowski, Pedro R. Dieguez, Alvaro Alarcón, Guilherme B. Xavier, Science Advances 2024, publicerad online 6 december 2024. Doi: 10.1126/sciadv.adr2007
Källa: Linköpings universitet, LiU
Foto: Magnus Johansson. Upphovsrätt:Linköpings universitet
