在一项新实验的帮助下，林雪平大学的研究人员等成功地证实了一项已有 10 年历史的理论研究，该研究将量子力学最基本的方面之一——互补原理——与信息论联系起来。图片来源：Magnus Johansson

林雪平大学的研究人员与来自波兰和智利的同事一起证实了一种理论，该理论提出了互补原理与熵不确定性之间的联系。他们的研究发表在《科学进展》杂志上。

“我们的结果目前没有明确或直接的应用。基础研究为量子信息和量子计算机的未来技术奠定了基础。在许多不同的研究领域都有着巨大的全新发现潜力，“瑞典林雪平大学量子通信研究员 Guilherme B Xavier 说。

但要理解研究人员所展示的内容，我们需要从头开始。

光既可以是粒子又可以是波，这是量子力学最不合逻辑但同时也是最基本的特性之一。这称为波粒二象性。

该理论可以追溯到 17 世纪，当时艾萨克·牛顿 （Isaac Newton） 提出光是由粒子组成的。其他当代学者认为光由波组成。牛顿最后提出，可能两者都是，但无法证明。在 19 世纪，几位物理学家在各种实验中表明，光实际上是由波组成的。

但在 1900 年代初期，马克斯·普朗克和阿尔伯特·爱因斯坦都挑战了光只是波的理论。然而，直到 1920 年代，物理学家阿瑟·康普顿 （Arthur Compton） 才能够证明光也具有动能，这是一种经典的粒子特性。

这些粒子被命名为光子。因此，得出结论，光既可以是粒子又可以是波，正如牛顿所建议的那样。电子和其他基本粒子也表现出这种波粒二象性。

但是不可能以波和粒子的形式测量相同的光子。根据光子测量的方式，波或粒子都是可见的。这被称为互补原则，由 Niels Bohr 在 1920 年代中期提出。它指出，无论决定测量什么，波和粒子特性的组合都必须是恒定的。

2014 年，来自新加坡的一个研究小组从数学上证明了互补性原理与量子系统中未知信息程度之间的直接联系，即所谓的熵不确定性。

这种联系意味着，无论查看量子系统的波或粒子特征的哪种组合，未知信息的数量至少是比特信息，即无法测量的波或粒子。

在这项新研究中，研究人员现在在一种新型实验的帮助下成功地在现实中证实了新加坡研究人员的理论。

“从我们的角度来看，这是展示基本量子力学行为的一种非常直接的方式。这是量子物理学的一个典型例子，我们可以看到结果，但我们无法想象实验中发生了什么。然而，它可以用于实际应用。它非常迷人，几乎接近哲学“，Guilherme B Xavier 说。

在他们的新实验设置中，林雪平研究人员使用光子以圆周运动向前移动，称为轨道角动量，这与更常见的上下振荡运动不同。轨道角动量的选择允许实验的未来实际应用，因为它可以包含更多信息。

LiU 电气工程系的 Joakim Argillander 和 Daniel Spegel-Lexne 博士生。图片来源：Magnus Johansson

测量是在研究中常用的称为干涉仪的仪器中进行的，其中光子被射向晶体（分束器），晶体将光子的路径分成两条新的路径，然后被反射，以便相互交叉到第二个分束器上，然后根据第二个设备的状态以粒子或波的形式进行测量。

这个实验设置的特别之处在于，研究人员可以将第二个分束器部分插入光的路径中。这使得在同一设置中以波或粒子或它们的组合形式测量光成为可能。

据研究人员称，这些发现可能在量子通信、计量学和密码学方面有许多未来应用。但在基本层面上，还有很多东西需要探索。

“在我们的下一个实验中，如果我们在光子到达之前改变第二个晶体的设置，我们想观察光子的行为。这将表明我们可以在通信中使用这种实验设置来安全地分发加密密钥，这非常令人兴奋，“电气工程系博士生 Daniel Spegel-Lexne 说。

更多信息：Daniel Spegel-Lexne 等人，熵不确定性与波粒二象性的等效性的实验证明，Science Advances（2024 年）。DOI：10.1126/sciadv.adr2007。www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr2007

期刊信息： Science Advances