Σε μια σημαντική πρόοδο για την κατανόηση της κβαντικής φυσικής, ερευνητές από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Stevens ανέπτυξαν μια νέα μαθηματική φόρμουλα που περιγράφει με ακρίβεια τη θεμελιώδη σχέση ανάμεσα στην κυματική και σωματιδιακή φύση των κβαντικών αντικειμένων.
Η μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Physical Review Research, προσφέρει για πρώτη φορά ένα πλήρες θεωρητικό πλαίσιο για την ποσοτικοποίηση της κυματοσωματιδιακής δυϊκότητας, ξεπερνώντας τους περιορισμούς προηγούμενων μοντέλων.
Η νέα προσέγγιση βασίζεται σε έναν κρίσιμο παράγοντα—τη συνοχή—και ανοίγει τον δρόμο για πιο ακριβείς εφαρμογές σε τομείς όπως η κβαντική απεικόνιση και η κβαντική πληροφορική, προσφέροντας νέες δυνατότητες ακόμη και σε περιβάλλοντα με υψηλό θόρυβο.
Τον τελευταίο αιώνα, η κβαντική μηχανική έχει αλλάξει ριζικά την αντίληψή μας για το σύμπαν, αποκαλύπτοντας έναν παράξενο και αντιδιαισθητικό κόσμο όπου τα σωματίδια μπορούν να συμπεριφέρονται και ως κύματα, και όπου η ίδια η παρατήρηση μπορεί να επηρεάσει τα αποτελέσματα.
Κύμα και σωματίδιο;
Σύμφωνα με το SciTechDaily, πρόσφατα οι επιστήμονες που μελετούν αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως κυματοσωματιδιακή δυϊκότητα, έχουν αναπτύξει μεθόδους για να εκτιμήσουν πόσο ένα κβαντικό αντικείμενο τείνει να συμπεριφέρεται ως κύμα ή ως σωματίδιο. Αυτές οι μετρήσεις προσφέρουν πληροφορίες για τις συνθήκες που προκαλούν σε ένα κβαντικό σύστημα τη μετάβαση από τη σωματιδιακή στη κυματική συμπεριφορά και το αντίστροφο.
«Η κυματοσωματιδιακή δυϊκότητα είναι το θεμέλιο της κβαντικής μηχανικής», λέει ο Xiaofeng Qian, κύριος συγγραφέας της μελέτης και Επίκουρος Καθηγητής Φυσικής στο Stevens. «Οι ερευνητές προσπαθούν να την ποσοτικοποιήσουν για πάνω από μισό αιώνα, αλλά αυτή είναι η πρώτη πλήρης θεωρητική προσέγγιση που ποσοτικοποιεί πλήρως τη συμπεριφορά ως κύμα και ως σωματίδιο, με βέλτιστα ποσοτικά μέτρα που είναι σχετικές σε κβαντικό επίπεδο».
Υπέρβαση των Ορίων Προηγούμενων Μοντέλων
Προηγούμενες έρευνες έδειξαν ότι η κυματικότητα και η σωματιδιακότητα μπορούν να εκφραστούν ως μία ανισότητα, με το άθροισμα των κυματικών ιδιοτήτων (όπως τα φαινόμενα συμβολής) και των σωματιδιακών (όπως η προβλεψιμότητα της πορείας ή θέσης) να είναι μικρότερο ή ίσο του ένα.
«Αυτό είναι σημαντικό, επειδή σημαίνει ότι αν ένα αντικείμενο είναι πλήρως κυματικό, τότε δεν παρουσιάζει σωματιδιακή συμπεριφορά και αντίστροφα», εξηγεί ο Qian.
Ωστόσο, αυτά τα μοντέλα ήταν ελλιπή, επειδή μπορούσαν να περιγράψουν καταστάσεις όπου οι κυματικές και σωματιδιακές συμπεριφορές αυξάνονται ταυτόχρονα—το αντίθετο δηλαδή από την αναμενόμενη αμοιβαία αποκλειόμενη σχέση μεταξύ τους.
Για να το διορθώσουν αυτό, οι συγγραφείς εισήγαγαν μια νέα μεταβλητή: τη συνοχή του κβαντικού αντικειμένου.
«Η συνοχή είναι μια δύσκολη έννοια, αλλά ουσιαστικά είναι μια κρυφή περιγραφή της δυναμικής για συμβολή κυμάτων», εξηγεί ο Qian. «Και το κλασικό μέτρο της ορατότητας αντιπροσωπεύει την ποσότητα κυματικής συμπεριφοράς που μπορεί να εξαχθεί. Όταν ποσοτικοποιούμε και αντισταθμίζουμε τη συνοχή, παράλληλα με τα στάνταρ μέτρα για κυματικότητα και σωματιδιακότητα, βρίσκουμε ότι το άθροισμά τους είναι ακριβώς ένα».
Από την Ανισότητα στον Ακριβή Υπολογισμό
Αυτό επιτρέπει τον υπολογισμό τόσο της κυματικότητας όσο και της σωματιδιακότητας με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια.
Μετρώντας τη συνοχή σε ένα σύστημα, γίνεται πλέον δυνατός ο προσδιορισμός του βαθμού κυματικής και σωματιδιακής συμπεριφοράς—όχι απλώς ως «μικρότερο του ένα», αλλά ως ακριβής αριθμητική τιμή.
Η σχέση ανάμεσα στην κυματικότητα και τη σωματιδιακότητα μπορεί τότε να αποτυπωθεί ως μια κομψή καμπύλη σε γράφημα—ένα τέλειο τεταρτοκύκλιο για ένα τέλεια συνεκτικό σύστημα, και ένα πεπλατυσμένο ελλειψοειδές καθώς μειώνεται η συνοχή.
Πέρα από τη διεύρυνση της κατανόησής μας για τη θεμελιώδη φυσική, η ανακάλυψη της ομάδας έχει σημαντικές πιθανές εφαρμογές σε τομείς όπως η κβαντική πληροφορική και οι κβαντικοί υπολογιστές.
Για να το αποδείξουν αυτό, η ομάδα του Qian εφάρμοσε τη θεωρία τους σε μια τεχνική που ονομάζεται απεικόνιση με μη ανιχνευμένα φωτόνια (QIUP), όπου μια σχισμή αντικειμένου σαρώνεται με ένα από ένα ζεύγος διεμπλεκόμενων φωτονίων. Αν το φωτόνιο περάσει χωρίς εμπόδια, η συνοχή παραμένει υψηλή· αν συγκρουστεί με τα τοιχώματα της σχισμής, η συνοχή περιορίζεται απότομα.
Κατόπιν, μετρώντας την κυματικότητα και σωματιδιακότητα του «συντρόφου» φωτονίου, η ομάδα του Qian κατάφερε να προσδιορίσει τη συνοχή—και έτσι να χαρτογραφήσει το σχήμα της σχισμής. «Αυτό δείχνει ότι η κυματικότητα και η σωματιδιακότητα ενός κβαντικού αντικειμένου μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πόρος στην κβαντική απεικόνιση, και δυνητικά σε πολλές άλλες εφαρμογές της κβαντικής πληροφορίας ή των υπολογισμών», λέει ο Qian.
Ανθεκτικότητα στον περιβαλλοντικό θόρυβο
Εντυπωσιακό είναι πως, η απεικόνιση εξακολουθούσε να είναι εφικτή ακόμη και όταν εξωτερικοί παράγοντες, όπως η θερμοκρασία ή οι δονήσεις, υποβάθμισαν τη συνολική συνοχή του κβαντικού συστήματος.
Αυτοί οι παράγοντες επηρεάζουν εξίσου τόσο τις υψηλής συνοχής καταστάσεις (όταν το φωτόνιο περνάει από τη σχισμή) όσο και τις χαμηλής συνοχής (όταν συγκρούεται), οπότε παραμένει δυνατή η ανίχνευση της διαφοράς στη συνοχή μεταξύ των δύο σεναρίων.
«Η έλλειψη σχηματίζει ένα πιο πεπλατυσμένο ελλειψοειδές, αλλά μπορούμε ακόμα να εξάγουμε τις πληροφορίες που χρειαζόμαστε για το αντικείμενο», εξηγεί ο Qian. Απαιτείται περαιτέρω έρευνα, ιδιαίτερα για να κατανοηθεί πώς η κυματοσωματιδιακή δυϊκότητα εκφράζεται σε πιο σύνθετα κβαντικά σενάρια με πολλαπλές διαδρομές.
«Τα μαθηματικά το κάνουν να φαίνεται απλό, αλλά δεν πρόκειται να καταφέρουμε εξαντλήσουμε την ιδιαιτερότητα της κβαντικής μηχανικής», λέει ο Qian. «Υπάρχουν ακόμα πολλά σύνορα που πρέπει να εξερευνήσουμε».
