В бристольской Лаборатории им. Генри Герберта Уиллса проведён эксперимент, позволяющий одновременно изучать волновые и корпускулярные свойства фотонов.

Парадоксальные предсказания квантовой механики, утверждавшей, скажем, что запутанные частицы, разнесённые на сколь угодно большое расстояние, должны вести себя как единый физический объект, осложняли восприятие новой теории и — поначалу — сдерживали её распространение. Пытаясь чётко обозначить её основные законы, физики ввели в обращение принцип корпускулярно-волнового дуализма — представление о том, что квантовая система в разных опытах может проявлять себя и как частица, и как волна.

Два варианта описания системы считают взаимно дополнительными; иными словами, предполагается, что исследования волновых и корпускулярных свойств требуют несовместимых друг с другом экспериментальных схем. Эта идея закреплена в сформулированном одним из отцов квантовой механики Нильсом Бором принципе дополнительности.

Рис. 1. Переход от корпускулярного поведения к волновому, который можно наблюдать в квантовом эксперименте с отложенным выбором, в представлении художника (иллюстрация Nicolas Brunner / Jamie Simmonds).

Здравый смысл подсказывал, что квантовые объекты, вероятно, заранее «знают», в какого типа опыте им предстоит участвовать, и заранее выбирают линию поведения (представляются частицами или волнами). Хотя такое объяснение выглядит логично, от него давно отказались, поскольку оно противоречит результатам элегантного мысленного эксперимента, рассмотренного американским теоретиком Джоном Арчибальдом Уилером в 1978 году.

В этом эксперименте фотоны отправляются в интерферометр Маха — Цандера с двумя светоделителями, один из которых — выходной — снабжён регистрирующими устройствами. Разность фаз φ между плечами интерферометра свободно настраивается, и интерференционные результаты, фиксируемые показанными на рисунке детекторами D₀ и D₁, будут зависеть от φ, подчёркивая волновую природу фотонов. Если мы уберём второй светоделитель, зависимость от φ пропадёт, а приход кванта будет регистрировать либо первый детектор, либо второй, что позволит определить, по какому плечу интерферометра шёл фотон, проявляющий теперь свойства частицы.

Ключевой особенностью опыта Уилера стало то, что вопрос об установке второго светоделителя решался (с помощью генератора случайных чисел) уже после попадания частицы в интерферометр. Реализовав такую схему на практике, учёные исключили возможность «предугадывания» фотоном вида будущего эксперимента.

Год назад сотрудники австралийского Университета Маккуори представили модификацию оригинального мысленного эксперимента, в которой классическое устройство, определявшее судьбу выходного светоделителя, заменяется квантовым. В этом случае, как мы уже говорили, светоделитель может находиться в суперпозиции состояний «присутствует» и «отсутствует», что, в свою очередь, позволяет исследовать корпускулярные и волновые свойства света на одной установке.

Рис. 2. Вверху — схема оригинального мысленного эксперимента Уилера, внизу — схема квантового эксперимента с отложенным выбором. Начальное состояние фотона |0> первый вентиль Адамара преобразует в суперпозицию 2–½(|0> + |1>), которая затем превращается в 2–½(|0> + eiφ|1>). Второй вентиль управляется дополнительным фотоном, находящимся в суперпозиции cosα|0> + sinα|1>. (Иллюстрация авторов работы).

Бристольские физики воплотили идею коллег в жизнь, изготовив требуемую фотонную интегральную схему. Светоделители на ней были представлены в виде двух вентилей Адамара, одним из которых управлял дополнительный квант света. Пары фотонов — сигнальный и управляющий — создавались в процессе спонтанного параметрического рассеяния и регистрировались на выходе схемы лавинными фотодиодами.

Выполнив измерения по методике, которая даёт уверенность в том, что второй светоделитель ведёт себя истинно квантовым образом, авторы получили результаты, едва ли не идеально соответствующие теоретическим прогнозам австралийцев.

Очевидно, формулировку принципа дополнительности в квантовой механике придётся пересмотреть, поскольку её исходный вариант не совсем точен.