Recent, o echipă de cercetători a evidențiat o legătură profundă între două concepte fundamentale ale fizicii cuantice, principiul complementarității și incertitudinea cuantică. Această realizare ar putea avea implicații majore pentru domenii atât de diverse precum comunicarea cuantică, criptografia și computerele cuantice.
Principiul complementarității a fost formulat de fizicianul danez Niels Bohr în anii 1920. Acesta afirmă că o particulă, de exemplu un foton, se poate comporta atât ca o undă, cât și ca o particulă, dar niciodată simultan în ambele forme. În funcție de modul în care măsurați lumina, veți observa fie proprietățile undelor, fie ale particulelor. Acest lucru pare contraintuitiv, deoarece în lumea fizicii clasice, se așteaptă ca obiectele să aibă o singură formă, bine definită. Cu toate acestea, în fizica cuantică, fenomenele sunt mult mai vagi și dependente de observație. De exemplu, dacă efectuați un experiment pentru a observa lumina ca undă, veți putea vedea fenomene precum interferența sau difracția tipice undelor. Dacă alegeți să observați lumina ca o particule, aceasta se va comporta ca un foton, o particulă purtătoare de energie. Acest fenomen stă la baza a ceea ce numim dualitate val-particulă.
Conceptul de incertitudine este un alt principiu fundamental în fizica cuantică. Este legat de imposibilitatea cunoașterii simultane a tuturor informațiilor dintr-un sistem cuantic cu precizie perfectă. Cu alte cuvinte, în lumea cuantică, există întotdeauna un element de incertitudine care scapă măsurării. Acest principiu este adesea explicat în legătură cu faimosul principiu al incertitudinii Heisenberg care afirmă că este imposibil să se măsoare atât poziția, cât și viteza unei particule cu precizie perfectă. Într-un sistem cuantic, cu cât măsori mai precis o proprietate, cu atât o altă proprietate devine mai incertă. Incertitudinea descrie această incertitudine în termeni informaționali: cantitatea de informații ascunse sau nemăsurate într-un sistem cuantic. Acest fenomen arată în ce măsură lumea cuantică eludează cunoașterea completă și este ceea ce face ca acest domeniu de cercetare să fie atât fascinant, cât și greu de înțeles.
Într-un studiu publicat în revista Science Advances, o echipă de cercetători de la Universitatea Linköping, Suedia, a confirmat o teorie matematică care leagă principiul complementarității de incertitudinea entropică. Cu alte cuvinte, ei au demonstrat că, măsurând lumina într-un fel sau altul (cum ar fi o undă sau o particulă), expuneți neapărat o parte din informațiile sistemului, în timp ce ascundeți cealaltă. Această conexiune fundamentală arată că indiferent dacă priviți un foton ca o undă sau o particulă, există întotdeauna o cantitate ascunsă de informații în acest sistem, reprezentată de cel puțin un bit de informație. Cu alte cuvinte, de fiecare dată când alegeți o măsurătoare (undă sau particulă), alte informații rămân inaccesibile, ceea ce corespunde unei incertitudini care nu poate fi redusă.
Pentru a testa această idee, cercetătorii au realizat un experiment folosind fotoni polarizați circular. Ei au folosit un dispozitiv numit interferometru care poate măsura fotonii în diferite configurații. În funcție de orientarea dispozitivului, cercetătorii ar putea observa fotonii fie sub formă de unde, fie sub formă de particule. Această flexibilitate le-a permis să testeze diferite configurații în timp ce observă comportamentul fotonilor. Acest dispozitiv a relevat faptul că prin măsurarea luminii în diferite forme în același dispozitiv, este posibil să se obțină rezultate cuantice respectând principiul complementarității. O caracteristică importantă a acestui experiment este că cercetătorii au reușit să introducă un al doilea dispozitiv în calea luminii, ceea ce a făcut posibilă măsurarea simultană a fotonilor în diferite forme. Acest nivel de control experimental este crucial pentru validarea teoriilor cuantice și pentru viitoare aplicații practice.
Rezultatele acestui studiu sunt departe de a fi doar o curiozitate științifică. Deși nu au încă o utilizare practică imediată, aceste rezultate pun bazele tehnologiilor viitoare în domenii de ultimă oră precum comunicarea cuantică și criptografia. De exemplu, criptografia cuantică, care se bazează pe principiile fizicii cuantice pentru a securiza comunicațiile, ar putea beneficia de aceste descoperiri. Într-adevăr, prin utilizarea sistemelor cuantice pentru a distribui cheile de criptare într-o manieră perfect sigură, devine teoretic imposibil ca un spion să intercepteze informații fără ca acestea să fie detectate. În plus, aceste descoperiri ar putea fi folosite și pentru a îmbunătăți tehnologiile de calcul cuantic. Permițând un control mai bun al informațiilor ascunse într-un sistem cuantic, cercetătorii ar putea dezvolta computere mai puternice, capabile să rezolve probleme mult mai complexe decât cele cu care ne putem ocupa astăzi.
Prin urmare, cercetătorii de la Universitatea Linköping au făcut un pas important spre înțelegerea misterelor mecanicii cuantice. Deși munca lor rămâne fundamentală, oferă perspective interesante pentru viitor, în special în domeniile securității digitale și IT. Aceste progrese marchează o piatră de hotar importantă pentru dezvoltarea tehnologiilor de mâine și ne aduc mai aproape de o eră în care comunicarea cuantică și computerele cuantice ne-ar putea revoluționa viețile.
