Согласно законам квантовой физики, фотоны не являются строго частицами или волнами. Но большинство из нас все же неосознанно возвращается к модели натянутой струны или бильярдных шаров, представляя фотоны у себя в голове. Новый теоретический эксперимент, предложенный учеными из Канады и Австралии, наглядно демонстрирует, насколько несостоятельными могут быть подобные представления. Авторы теории предлагают представить квантовый переключатель, контролирующий результаты простых оптических измерений (будут эти измерения характерны для частицы или для волны) для единичного фотона. Эта небольшая доработка знаменитого эксперимента демонстрирует бесполезность представления фотона как частицы или волны.

Корпускулярно-волновой дуализм часто иллюстрируется с помощью луча, который одновременно идет по двум различным путям, сливающимся позже в единую интерференционную картину. Для слабых пучков света, доставляющих до конечной точки всего 1 фотон в единицу времени, схема предполагает, что каждый фотон-волна одновременно движется по обоим путям. Тот факт, что данный эксперимент может одновременно строить измерения на базе волн и частиц, называется принципом комплементарности.

Но, если каждый путь рассматривается по отдельности, фотон должен вести себя как «классическая» частица. Получается, что фотон как будто бы «знает» о наличии измерительного прибора, тем самым решая заранее, идти по одному пути или по двум одновременно. Чтобы разрешить это противоречие, около 30 лет назад группа ученых из University of Texas (США) предложила мысленный эксперимент, в котором упомянутый выше прибор может неожиданно переключаться с «детектора частиц» на «детектор волны» уже во время движения фотона. Тогда эксперимент был отложен до появления необходимых инструментов.

В 2007 году мысленный эксперимент был воплощен в реальности с помощью высокоточного интерферометра. В классической установке для подобных экспериментов из луча, исходящего от источника света, создается два с помощью простого светоделителя. Позже эти лучи снова соединяются воедино вторым светоделителем. Детектор, по сути, представляющий собой чувствительные элементы и упомянутый выше второй светоделитель, позволяет фиксировать интерференционную картину, образуемую после объединения лучей. Его достаточно легко можно превратить в детектор частиц, просто удалив второй светоделитель так, что два луча не будут смешиваться. В реализованном эксперименте выбор удалять или оставлять светоделитель осуществлялся после того, как отдельный фотон проходит «ворота» первого светоделителя.

Как и ожидалось по законам квантовой механики, модификация экспериментальной установки никак не повлияла на полученный результат, что еще раз доказало, что действия фотона нельзя назвать «предумышленными».

Теперь же совместная группа ученых из Institute for Quantum Computing (Канада) и Macquarie University (Австралия) повторила эксперимент, делая упомянутый выше выбор квантовыми инструментами. Ученые представили, что интерферометр (являющийся чувствительным элементом, фиксирующим итоговую картину) содержит в себе квантовое устройство (например, атом в потенциальной яме), которое может находиться в двух состояниях.

Одно состояние ответственно за фиксацию частиц, другое – за эксперимент с волнами. Согласно законам квантовой механики, устройство находится в суперпозиции этих состояний, реализуя, таким образом, корпускулярно-волновой дуализм.

Абстракция, предложенная учеными, наглядно показывает, каким образом волны и частицы могут существовать в одном эксперименте одновременно. Т.е. вопрос о том, является фотон частицей или волной можно откладывать в долгий ящик, т.к. наблюдать фотоны мы можем только с помощью детекторов, о которых не знаем, в каком они находятся «состоянии». Только когда наблюдатель фиксирует свой выбор относительно желаемой экспериментальной картины (выбирает, что он хочет измерить, частицу или волну), фотон может быть идентифицирован однозначно.

Мысленный эксперимент, предложенный учеными, подробно описан в журнале Physical Review Letters.