通过新的实验，研究人员确认了一项十年历史的理论研究，该研究将量子力学中的一个关键组成部分——互补原理——与信息理论联系起来。这项研究发表在《科学进展》杂志上，有助于我们理解未来在量子通信、计量学和密码学方面的进展。
使用最近的实验，来自林雪平大学和其他机构的科学家验证了十年前的一个理论研究，该研究将量子力学的一个关键原则——互补原理——与信息理论相关联。他们的发现发表于《科学进展》，并有助于解开未来量子通信、计量学和密码学的重要方面。
“目前，我们的发现没有直接应用。它们是基础研究的一部分，为量子信息和量子计算中的新兴技术奠定了基础。在各个领域都有重大突破发现的潜力，”瑞典林雪平大学的量子通信研究员吉尔赫梅·B·泽维尔解释道。
为了充分理解研究人员所展示的内容，重要的是从基本概念开始。
光既可以表现为粒子又可以表现为波的概念是量子力学中最反直觉但又至关重要的方面之一，通常被称为波粒二象性。
这一理论起源于17世纪，当时艾萨克·牛顿提出光是由粒子组成的。与此同时，他那个时代的其他学者认为光是基于波的。牛顿后来建议它可以是两者，尽管他没有证据来支持这一说法。在19世纪，物理学家进行的各种实验证实了光的波动性。
然而，在20世纪初，马克斯·普朗克和阿尔伯特·爱因斯坦都对光仅仅是波动的观点提出了争议。直到1920年代，物理学家亚瑟·康普顿证明了光也具有动能，这是经典粒子的特征。这些粒子被称为光子，证实了牛顿最初的建议，即光确实可以表现为粒子和波。这种二象性还扩展到电子和其他基本粒子。
需要注意的是，无法同时以波和粒子的形式测量一个光子。根据使用的测量技术，光子将显示其波动性或粒子特性。这一限制被归纳在互补原理中，该理论由尼尔斯·玻尔在20世纪20年代中期制定，主张波和粒子的特征必须保持一致，无论测量方法如何。
2014年，新加坡的研究团队在数学上将互补原理与量子系统中未知信息的概念（称为熵不确定性）联系了起来。这一关系意味着无论测量量子系统的哪种特征——波或粒子——都至少存在一比特的未知信息。
现在，来自林雪平大学的研究人员与来自波兰和智利的同事合作，通过一种新颖的实验方法成功验证了新加坡团队的理论发现。
“从我们的角度来看，这展示了基础量子力学原理的简单演示。它体现了量子物理的特性，其中结果可以被观察，但实验的内部过程仍然难以捉摸。尽管如此，这些发现可以导致实际应用，这非常迷人，几乎带有哲学色彩，”吉尔赫梅·B·泽维尔说。
在他们最新的实验安排中，林雪平的研究人员采用了以圆形模式运动的光子，这种运动被称为轨道角动量，而不是典型的上下振荡运动。这种轨道角动量不仅有助于未来的实验应用，还具备存储更多信息的能力。
使用一种广泛应用的仪器——干涉仪进行测量，光子被引导到一个晶体（光束分割器），该晶体将它们的路径分成两条不同的路线。这些路线交叉后被引导到第二个光束分割器，在该分割器上，光子作为粒子或波被测量，具体取决于这个第二个组件的配置。
这项实验的一个独特之处在于，研究人员可以调整第二个光束分割器，从而允许他们在同一设置中将光测量为波、粒子或两者的混合。
研究人员相信，他们的结果可能为量子通信、计量学和密码学的各种应用铺平道路，但他们也看到进一步基础探索的巨大潜力。
“在我们即将进行的实验中，我们的目标是观察如果在光子到达之前调整第二个晶体的设置，光子如何表现。这可能使我们能够利用这个设置进行安全的加密密钥分发，这非常令人兴奋，”电气工程系的博士生丹尼尔·斯佩格尔-莱克斯内说。
