Учёные разработали формулу для измерения «волновости» и «частичности» квантовых объектов

Иллюстрация точечной дуальности D-V в поперечной плоскости. Синие круги обозначают области полного пропускания (T=1), а синие эллипсы — частичного пропускания (T<1). Автор: Physical Review Research (2025). DOI: 10.1103/dyg6-l19j

С момента своего появления 100 лет назад квантовая механика радикально изменила наше понимание природы, открыв странный мир, где объекты могут вести себя одновременно как волны и частицы, а их поведение зависит от наблюдения.

В последние десятилетия исследователи, изучающие эту волно-частичную дуальность, научились измерять относительную «волновость» и «частичность» квантовых объектов, что помогло объяснить, как и когда они переключаются между волнообразным и частицеподобным поведением.

Теперь в статье для журнала Physical Review Research учёные из Технологического института Стивенса сообщают о важном прорыве: простой, но мощной формуле, описывающей точную математическую связь между «волновостью» и «частичностью» квантового объекта.

«Волно-частичная дуальность — краеугольный камень квантовой механики», — говорит Сяофэн Цянь, ведущий автор статьи и доцент физики в Стивенсе.

Предыдущие исследования показывали, что «волновость» и «частичность» можно выразить неравенством, где сумма волнообразного (например, интерференционные картины) и частицеподобного поведения (например, предсказуемость траектории) меньше или равна единице. Однако такие модели были неполными, так как допускали ситуации одновременного роста обоих свойств.

Для решения этой проблемы авторы ввели новую переменную — когерентность квантового объекта. Учёт когерентности позволил точно вычислять уровни «волновости» и «частичности», а не просто ограничивать их сумму. Результаты можно визуализировать в виде кривой на графике — идеальной четверти окружности для полностью когерентной системы.

Практическое применение открытия включает квантовые вычисления и визуализацию. Команда продемонстрировала это на примере квантовой визуализации с необнаруженными фотонами (QIUP), где форма объекта восстанавливалась через измерение дуальности его запутанного партнёра.

«Это показывает, что волно-частичная дуальность может быть ресурсом для квантовой визуализации и других задач», — отмечает Цянь.

Дальнейшие исследования будут посвящены более сложным многопутевым квантовым сценариям. Как признаёт Цянь: «Математика делает это простым, но квантовая механика по-прежнему полна загадок».

Дополнительная информация: Pawan Khatiwada et al, Wave-particle duality ellipse and application in quantum imaging with undetected photons, Physical Review Research (2025). DOI: 10.1103/dyg6-l19j