早在 1920 年代，作為從原子行為到量子計算機運行的一切事物的基礎理論，量子力學正在獲得廣泛接受。 但仍有一個謎團：有時量子物體，如電子、原子和分子，表現得像粒子，而另一些則像波。 有時它們甚至同時表現得像粒子和波。 因此，在研究這些量子物體時，科學家們在計算中應該使用什麼方法一直不清楚。
有時，為了得到正確的結果，科學家不得不假設量子物體是波。 在其他情況下，他們不得不假設這些物體實際上是粒子。 有時這兩種方法都有效。 但在其他情況下，只有一種方法產生了正確的結果，而另一種方法則返回了虛假的結果。 這個問題的歷史可以追溯到很久以前，但最近的實驗對這個老問題有了新的認識。
量子歷史
在 1801 年由 Thomas Young 首次進行的同名雙縫實驗中，光錶現得像波。 在這個實驗中，激光束指向雙縫，然後觀察生成的圖案。 如果光是由粒子組成的，人們會期待兩個狹縫狀的光塊。 相反，結果是許多小光塊以特徵圖案排列。 在水流中放置一個雙縫會在下面產生相同的圖案。 所以這個實驗得出了光是波的結論。
然後，在 1881 年，Heinrich Hertz 有了一個有趣的發現。 當他拿起兩個電極並在它們之間施加足夠高的電壓時，就會出現火花。 這個是正常的。 但是當赫茲將光照射在這些電極上時，火花電壓發生了變化。 這可以通過光將電子從電極材料中擊出的事實來解釋。 但是，奇怪的是，如果光的強度發生變化，噴射電子的最大速度並沒有變化，而是隨著光的頻率而變化。 如果波動理論是正確的，這個結果將是不可能的。 1905 年，阿爾伯特·愛因斯坦有一個解決方案：光實際上是一個粒子。 這一切都不盡如人意。 與有時為真的兩種理論相比，科學家更喜歡一種總是正確的理論。 如果一個理論只在某些時候是正確的，那麼我們至少希望能夠說它在什麼條件下是正確的。
但這正是這一發現的問題所在。 物理學家不知道何時將光或任何其他物體視為波，何時將其視為粒子。 他們知道有些東西會導致類似波浪的行為，例如狹縫的邊緣。 但他們沒有明確解釋為什麼會這樣或何時使用任何理論。
這個謎題叫做 粒子波二元論, 仍然保留。 但一項新的研究可能會對這種情況有所了解。 韓國基礎科學研究所的科學家表明，光源的特性會影響它是粒子的程度以及波的程度。 通過一種新的方法來研究這個問題，他們鋪平了一條甚至可能導致量子計算改進的道路。 或者這樣的希望。
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如何製作粒子和波
在實驗中，科學家們使用半反射鏡將激光束分成兩部分。 這些射線中的每一個都會撞擊晶體，從而產生兩個光子。 總共發射四個光子，每個晶體兩個。
科學家們將每個晶體中的一個光子發送到干涉儀中。 該設備結合了兩個光源並產生干涉圖案。 這種模式最初是由 Thomas Young 在他前面提到的雙縫實驗中發現的。 這也是你將兩塊石頭扔進池塘時所看到的：水波紋，其中一些相互加強，另一些相互抵消。 換句話說，干涉儀檢測光的波動性。
其他兩個光子的路徑被用來確定它們的微粒特徵。 儘管該論文的作者沒有具體說明他們是如何做到這一點的，但通常是通過讓光子穿過一種顯示光子去向的材料來完成的。 例如，您可以通過氣體發射光子，然後在光子通過的地方點燃。 通過關注軌跡而不是最終目的地，光子可以是波。 這是因為如果你在每個時刻測量光子的確切位置，那麼它是點狀的，不能擊中自己。
這是量子物理學中測量積極影響所述測量結果的眾多例子之一。 因此，在這部分實驗中，光子軌跡末端的干涉圖案是不存在的。 因此，研究人員發現了光子如何成為粒子。 現在的挑戰是量化其中有多少是粒子，還有多少是波浪性質的。
由於同一晶體的兩個光子是一起產生的，它們形成了一個單一的量子態。 這意味著可以找到同時描述這兩個光子的數學公式。 因此，如果研究人員能夠量化兩個光子的“偏性”和“波長”有多強，那麼這種量化就可以應用於到達晶體的整個光束。
事實上，研究人員成功了。 他們通過檢查干涉圖案的可見性來測量光子的波動程度。 當能見度高時，光子呈波浪狀。 當圖案幾乎看不到時，他們得出結論，光子一定非常像粒子。
而這種能見度是偶然的。 當兩種晶體接收到相同強度的激光束時，它是最高的。 然而，如果來自一個晶體的光束比另一個強得多，則圖案的可見性會變得非常微弱，光子更可能看起來像粒子。
這個結果令人驚訝，因為在大多數實驗中，光僅以波或粒子的形式被測量。 今天，在幾個實驗中，同時測量了這兩個參數。 這意味著很容易確定一個光源的每個屬性有多少。
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理論物理學家很高興
這一結果與理論家早先的預測相符。 根據他們的理論，量子物體的波狀和微粒狀程度取決於源的純度。 在這種情況下，純度只是表達特定晶體源將成為發光源的概率的一種奇特方式。 公式如下：V2 + P2 = µ2，其中V是方向圖的可見性，P是路徑的可見性，µ是源的純度。
這意味著光等量子物體在某種程度上可以是波狀的，也可以是某種程度的粒子狀，但這受限於光源的純度。 如果乾涉圖案可見或 V 的值不等於 ，則量子物體是波狀的。 此外，如果路徑是可觀察的或 P 不為零，則它是類似粒子的。
這個預測的另一個結果是純度是，如果量子路徑的糾纏度高，純度就低，反之亦然。 進行該實驗的科學家在他們的工作中以數學方式證明了這一點。 通過調整晶體的純度並測量結果，他們能夠證明這些理論預測確實是正確的。
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更快的量子計算機？
量子物體的糾纏與其微粒和波紋之間的聯繫特別有趣。 可以為量子互聯網提供動力的量子設備是基於糾纏的。 量子互聯網是互聯網對於經典計算機的量子類比。 通過將許多量子計算機連接在一起並允許它們共享數據，科學家們希望獲得比單個量子計算機所能獲得的更多的能力。
但是，我們需要將量子比特糾纏在一起以形成量子互聯網，而不是像我們為經典互聯網提供動力那樣通過光纖發送比特。 能夠測量粒子的糾纏和光子的波紋意味著我們可以找到更簡單的方法來控制量子互聯網的質量。
此外，量子計算機本身可以通過使用粒子波二元論變得更好。 根據中國清華大學研究人員的建議，可以通過多縫晶格運行小型量子計算機以增加其功率。 一台小型量子計算機將由幾個原子組成，這些原子本身用作量子比特，而這樣的設備已經存在。
讓這些原子通過多縫晶格與讓光通過雙縫非常相似，當然要復雜一些。 這將創造更多可能的量子態，這反過來又會增加“發射”計算機的能力。 這背後的數學太複雜，本文無法解釋，但重要的結果是，這樣的雙量子計算機在並行計算方面可以比傳統的量子計算機更好。 並行計算在經典計算中也很常見，基本上是指計算機同時執行多個計算的能力，使其整體速度更快。
因此，雖然這是非常基礎的研究，但可能的應用已經出現。 目前還無法證明，但這些發現可以加速量子計算機，並略微加速量子互聯網的出現。
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非常基礎，但非常有趣
所有這一切都應該以極大的懷疑態度來對待。 這項研究是紮實的，但也是非常基礎的。 與科學技術領域的情況一樣，從基礎研究到實際應用還有很長的路要走。
但來自韓國的研究人員發現了一件非常有趣的事情：粒子波二元論的奧秘不會很快消失。 相反，它似乎深深植根於所有的量子物體，以致於使用它更好。 有了與源純度相關的新定量基礎，這將更容易做到。
第一個用例可能發生在量子計算中。 正如科學家們所表明的，量子糾纏和粒子波二元論是相關的。 因此，可以測量波紋和微粒的數量，而不是糾纏。 這可以幫助致力於創建量子互聯網的科學家。 或者你可以使用 二元性 改進量子計算機並使它們更快。 無論哪種方式，看起來令人興奮的量子時代指日可待。
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