Группа физиков из Южной Кореи экспериментально подтвердила справедливость соотношений, описывающих то, в какой степени фотон может быть интерпретирован как частица или волна. Для этого они воспользовались результатами опытов в схеме однофотонной интерферометрии с частотной гребенкой.

Работа опубликована в Science Advances, краткое ее изложение приводит Phys.org.

Корпускулярно-волновой дуализм – это концепция, описывающая свойство микроскопических объектов проявлять себя по-разному при интерпретации их поведения через классические категории «частица-волна». Такое «странное» поведение было причиной бурных дискуссий среди физиков в начале XX века, пока, наконец, оно не было удовлетворительно объяснено через квантовую механику, где состояние любого объекта описывается через векторы (лучи) гильбертова пространства, а для полного описания явлений, в которых он участвует, необходимо два взаимоисключающих друг друга набора классических понятий (принцип дополнительности Бора).

Несмотря на это, ученые продолжали исследовать корпускулярно-волновой дуализм. Главным образом их интересовало количественное описание степени того, чем именно – волной или частицей – можно считать объект (для таких объектов был введен даже отдельный термин, «квантон»). В первых теоретических работах это делалось в контексте знаменитого мысленного эксперимента о пролете электрона или фотона через две щели. Степень «волновости» оценивали по резкости (видимости) интерференционной картины, а «частичности» – по предсказуемости траектории.

На практике физики проводят аналогичный эксперимент, только вместо двух щелей они используют светоделитель (для фотонов), который направляет потоки в разные плечи интерферометра. Со временем физиков стали интересовать количественные соотношения дополнительности для сложных систем, где могут возникать запутанные состояния нескольких квантонов. Оказалось, что свойства дополнительности в них тесно связаны со степенью запутанности, однако до недавнего времени не существовало экспериментального свидетельства такой связи.

В своей новой работе команда физиков из Института фундаментальных наук, Южная Корея, под руководством Тай Хён Юн (Tai Hyun Yoon) предложила использовать оптическую схему, использованную ими для демонстрации однофотонной интерферометрии с частотной гребенкой, для проверки предсказанных ранее соотношения дополнительности.

Схема состоит из двух СПР-кристаллов, которые подвергаются синхронизированной лазерной накачке равной амплитуды. На выходе из кристаллов физики смогли получить одиночные сигнальные фотоны в суперпозиционном состоянии с управляемой когерентностью, сопряженные с фотонами в холостой моде. Фотонная мода смешивает состояние квантона, причем степенью этого смешивания можно управлять с помощью затравочного лазера и контролировать с помощью фотоприемников. Фактически, холостые фотоны служат детектором того, по какому из плечей идут сигнальные фотоны.

Схема эксперимента. PPLN1 и PPLN2 – это СПР кристаллы, BS1, BS2 и BS3 – светоделители, DA и DB – детекторы холостой моды. PD – фотодетектор, фиксирующий квантовую интерференцию между сигнальными фотонами. / T. H. Yoon / Science Advances, 2021

Авторы обратили внимание, что данные, полученные ими ранее на этой установке, могут быть использованы для исследования связи видимости, предсказуемости и запутанности. Они провели теоретический анализ, подтвердивший связь этих величин, выведенную ранее их предшественниками для других физических систем.

Управляя числом фотонов в холостых модах с помощью маломощного затравочного лазера, а следовательно, и чистотой состояний сигнальных фотонов, авторы убедились, что экспериментальные данные с хорошей точностью описываются выведенными соотношениями.

Физики отмечают, что продемонстрированная ими схема может быть полезна для приложений, где требуется производить манипуляции удаленными запутанными состояниями только оптическими методами. Они также надеются, что проведенная ими работа станет существенным шагом к пониманию феномена корпускулярно-волновой дуальности и принципа дополнительности, а также снимет налет загадочности с двухщелевого эксперимента, которым наделил его еще Фейнман в своих знаменитых лекциях.