การแยกเชิงทดลองของความเป็นคู่ของคลื่นและอนุภาค

สมบัติคลื่นและอนุภาคเป็นสมบัติพื้นฐานสองประการของสสารในธรรมชาติ ในกรณีของแสง การถกเถียงกันว่าแสงเป็นคลื่นหรืออนุภาคมีมาตั้งแต่ศตวรรษที่ 17 นิวตันได้พัฒนาทฤษฎีอนุภาคแสงที่ค่อนข้างสมบูรณ์แบบในหนังสือของเขาเลนส์ซึ่งทำให้ทฤษฎีอนุภาคของแสงกลายเป็นทฤษฎีกระแสหลักมานานเกือบศตวรรษ ฮอยเกนส์, โทมัส ยัง, แมกซ์เวลล์ และคนอื่นๆ เชื่อว่าแสงเป็นคลื่น จนกระทั่งต้นศตวรรษที่ 20 ไอน์สไตน์ได้เสนอทฤษฎีนี้เลนส์คำอธิบายเชิงควอนตัมของโฟโตอิเล็กทริกปรากฏการณ์นี้ทำให้ผู้คนตระหนักว่าแสงมีลักษณะของการเป็นคู่คลื่นและอนุภาค ต่อมาโบร์ได้ชี้ให้เห็นในหลักการเสริมอันโด่งดังของเขาว่า การที่แสงมีพฤติกรรมเป็นคลื่นหรืออนุภาคนั้นขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมการทดลองที่เฉพาะเจาะจง และคุณสมบัติทั้งสองไม่สามารถสังเกตได้พร้อมกันในการทดลองเดียว อย่างไรก็ตาม หลังจากที่จอห์น วีลเลอร์เสนอการทดลองคัดเลือกแบบล่าช้าอันโด่งดังของเขาโดยอิงจากการทดลองแบบควอนตัม ได้มีการพิสูจน์ทางทฤษฎีแล้วว่าแสงสามารถรวมสถานะการซ้อนทับคลื่น-อนุภาคได้พร้อมกัน ซึ่งก็คือ “ไม่ใช่คลื่นหรืออนุภาค ไม่ใช่คลื่นหรืออนุภาค” และปรากฏการณ์ประหลาดนี้ถูกพบเห็นในการทดลองจำนวนมาก การสังเกตการณ์การซ้อนทับคลื่น-อนุภาคของแสงในการทดลองได้ท้าทายขอบเขตดั้งเดิมของหลักการเสริมของโบร์ และได้นิยามแนวคิดของการเป็นคู่คลื่น-อนุภาคขึ้นใหม่

ในปี 2013 Aharonov และคณะ ได้เสนอทฤษฎีแมวเชสเชียร์เชิงควอนตัม ซึ่งได้รับแรงบันดาลใจจากแมวเชสเชียร์ในอลิซในแดนมหัศจรรย์ ทฤษฎีนี้เผยให้เห็นปรากฏการณ์ทางกายภาพที่แปลกใหม่มาก นั่นคือ ร่างกายของแมวเชสเชียร์ (องค์ประกอบทางกายภาพ) สามารถแยกออกจากใบหน้ายิ้ม (คุณลักษณะทางกายภาพ) ในเชิงพื้นที่ได้ ซึ่งทำให้สามารถแยกคุณลักษณะทางวัตถุและออนโทโลยีออกจากกันได้ จากนั้นนักวิจัยได้สังเกตปรากฏการณ์แมวเชสเชียร์ทั้งในระบบนิวตรอนและโฟตอน และได้สังเกตปรากฏการณ์แมวเชสเชียร์เชิงควอนตัมสองตัวที่ยิ้มแย้มแลกเปลี่ยนกัน

เมื่อไม่นานนี้ ทีมของศาสตราจารย์ Li Chuanfeng จากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีน ซึ่งได้รับแรงบันดาลใจจากทฤษฎีนี้ ได้ร่วมมือกับทีมของศาสตราจารย์ Chen Jingling จากมหาวิทยาลัย Nankai เพื่อบรรลุถึงการแยกความเป็นคู่ของคลื่นและอนุภาคเลนส์นั่นคือ การแยกสมบัติของคลื่นออกจากสมบัติของอนุภาคในเชิงพื้นที่ โดยการออกแบบการทดลองโดยใช้องศาอิสระของโฟตอนที่แตกต่างกัน และใช้เทคนิคการวัดที่อ่อนซึ่งอิงตามวิวัฒนาการของเวลาเสมือน สมบัติของคลื่นและสมบัติของอนุภาคของโฟตอนจะถูกสังเกตพร้อมกันในบริเวณต่างๆ

ผลลัพธ์จะช่วยให้เข้าใจแนวคิดพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัม ทวิลักษณ์คลื่น-อนุภาคได้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น และวิธีการวัดที่อ่อนที่ใช้ยังจะให้แนวคิดสำหรับการวิจัยเชิงทดลองในทิศทางของการวัดความแม่นยำของควอนตัมและการสื่อสารเชิงโต้แย้งอีกด้วย

| ข้อมูลเอกสาร |

Li, JK., Sun, K., Wang, Y. และคณะ การสาธิตการทดลองการแยกทวิลักษณ์คลื่น-อนุภาคของโฟตอนเดี่ยวด้วยแมวเชสเชียร์เชิงควอนตัม Light Sci Appl 12, 18 (2023)

https://doi.org/10.1038/s41377-022-01063-5