“我们的研究结果目前没有明确或直接的应用。这是为未来量子信息和量子计算机技术奠定基础的基础研究。在许多不同的研究领域，有巨大的潜力可以获得全新的发现，”麻省理工学院量子通信研究员Guilherme B Xavier说ink?ping瑞典大学
但要理解研究人员的研究成果，我们需要从头说起。
光既可以是粒子，也可以是波，这是量子力学最不合逻辑的特征之一，但同时也是最基本的特征。这被称为波粒二象性。
这个理论可以追溯到17世纪，当时艾萨克·牛顿提出光是由粒子组成的。其他同时代的学者认为光是由波组成的。牛顿最终提出可能两者都有，但无法证明。在19世纪，几位物理学家在各种实验中表明，光实际上是由波组成的。
但在20世纪初，马克斯·普朗克和阿尔伯特·爱因斯坦都对光只是波的理论提出了挑战。然而，直到20世纪20年代，物理学家阿瑟·康普顿（Arthur Compton）才证明了光也有动能，这是一种经典的粒子特性。这些粒子被命名为光子。因此，得出的结论是，光既可以是粒子，也可以是波，正如牛顿所建议的那样。电子和其他基本粒子也表现出这种波粒二象性。
但是，不可能以波和粒子的形式测量同一个光子。根据测量光子的方式，可以看到波或粒子。这被称为互补原理，由尼尔斯·玻尔在20世纪20年代中期提出。它指出，无论人们决定测量什么，波和粒子特征的组合必须是恒定的。
2014年，来自新加坡的一个研究团队从数学上证明了互补原理与量子系统中未知信息的程度之间的直接联系，即所谓的熵不确定性。这种联系意味着，无论观察量子系统的波或粒子特征的哪种组合，未知信息的数量至少是一个比特的信息，即不可测量的波或粒子。
link?ping大学的研究人员与来自波兰和智利的同事一起，在一种新型实验的帮助下，成功地在现实中证实了新加坡研究人员的理论。
“从我们的角度来看，这是一种非常直接的方式来展示基本的量子力学行为。这是量子物理学的一个典型例子，我们可以看到结果，但我们无法想象实验内部发生了什么。然而，它可以用于实际应用。它非常迷人，几乎接近哲学，”Guilherme B Xavier说。
在他们的新实验设置中，link?ping研究人员使用光子以圆周运动向前移动，称为轨道角动量，而不像更常见的振荡运动，即上下运动。轨道角动量的选择考虑了实验未来的实际应用，因为它可以包含更多的信息。
测量是在一种被称为干涉仪的研究中常用的仪器中进行的，在这种仪器中，光子被射向一个晶体（分束器），该晶体将光子的路径分成两条新的路径，然后这两条路径被反射，从而交叉到第二个分束器上，然后根据第二个设备的状态以粒子或波的形式进行测量。
这个实验设置的特别之处在于，第二个分束器可以被研究人员部分插入光的路径中。这使得在同一装置中以波、粒子或它们的组合的形式测量光成为可能。
根据研究人员的说法，这些发现可能在量子通信、计量学和密码学中有许多未来的应用。但在基本层面上还有更多的东西需要探索。
“在我们的下一个实验中，如果我们在光子到达第二个晶体之前改变它的设置，我们想观察光子的行为。这将表明我们可以在通信中使用这种实验装置来安全地分发加密密钥，这是非常令人兴奋的，”电子工程系的博士生Daniel Spegel-Lexne说。
