Me ndihmën e një eksperimenti të ri, studiuesit në Universitetin e Linköping, së bashku me kolegë nga Polonia dhe Kili, kanë arritur të konfirmojnë një studim teorik 10-vjeçar që lidh një nga aspektet më themelore të mekanikës kuantike—parimin e plotësueshmërisë—me teorinë e informacionit. Studimi i tyre është botuar në revistën *Science Advances*.
“Rezultatet tona nuk kanë një aplikim të qartë apo të drejtpërdrejtë tani për tani. Është kërkim bazë që hedh themelet për teknologji të ardhshme në informacionin kuantik dhe kompjuterët kuantikë. Ekziston një potencial i madh për zbulime krejtësisht të reja në shumë fusha të ndryshme kërkimore,” thotë Guilherme B Xavier, studiues në komunikimin kuantik në Universitetin e Linköping, Suedi.
Por për të kuptuar atë që studiuesit kanë treguar, duhet të fillojmë nga fillimi.
Që drita mund të jetë si grimca ashtu edhe valë është një nga karakteristikat më të palogjikshme—por njëkohësisht themelore—të mekanikës kuantike. Kjo quhet dualiteti valë-grimcë.
Teoria daton në shekullin e 17-të, kur Isak Njutoni sugjeroi se drita përbëhet nga grimca. Disa dijetarë bashkëkohorë besonin se drita përbëhet nga valë. Njutoni më në fund sugjeroi që mund të jetë të dyja, pa qenë në gjendje ta provonte. Në shekullin e 19-të, disa fizikantë, në eksperimente të ndryshme, treguan se drita në fakt përbëhet nga valë.
Por rreth fillimit të viteve 1900, si Maks Plank ashtu edhe Albert Ajnshtajni sfiduan teorinë se drita është thjesht valë. Megjithatë, nuk ishte deri në vitet 1920 kur fizikanti Artur Kompton mundi të tregonte se drita gjithashtu ka energji kinetike, një veçori klasike e grimcave.
Grimcat u quajtën fotone. Kështu u arrit në përfundimin se drita mund të jetë si grimca ashtu edhe valë, pikërisht siç kishte sugjeruar Njutoni. Elektronet dhe grimcat e tjera elementare gjithashtu shfaqin këtë dualitet valë-grimcë.
Por nuk është e mundur të matet i njëjti foton në formën e një vale dhe një grimce. Në varësi të mënyrës se si kryhet matja e fotonit, shihen ose valë ose grimca. Kjo njihet si parimi i plotësueshmërisë dhe u zhvillua nga Niels Bohr në mesin e viteve 1920. Ai thotë se, pavarësisht se çfarë vendos të matet, kombinimi i karakteristikave të valës dhe grimcës duhet të mbetet konstant.
Në vitin 2014, një ekip kërkimor nga Singapori tregoi matematikisht një lidhje të drejtpërdrejtë midis parimit të plotësueshmërisë dhe shkallës së informacionit të panjohur në një sistem kuantik, të quajtur pasiguri entropike.
Kjo lidhje do të thotë se, pavarësisht se çfarë kombinimi të karakteristikave të valës apo grimcës së një sistemi kuantik shikohet, sasia e informacionit të panjohur është të paktën një bit informacioni, pra, vala apo grimca e pamatur.
Në studimin e ri, studiuesit kanë arritur të konfirmojnë teorinë e studiuesve nga Singapori në realitet, me ndihmën e një lloji të ri eksperimenti.
“Nga këndvështrimi ynë, është një mënyrë shumë e drejtpërdrejtë për të treguar sjelljen themelore kuantike. Është një shembull tipik i fizikës kuantike, ku mund të shohim rezultatet, por nuk mund të vizualizojmë se çfarë po ndodh brenda eksperimentit. Dhe përsëri, mund të përdoret për aplikime praktike. Është shumë magjepsëse dhe pothuajse kufizohet me filozofinë,” thotë Guilherme B Xavier.
Në konfigurimin e tyre të ri eksperimental, studiuesit nga Linköping përdorën fotone që lëvizin përpara në një lëvizje rrethore, të quajtur moment këndor orbital, ndryshe nga lëvizja më e zakonshme osciluese, që është lart e poshtë. Zgjedhja e momentit këndor orbital lejon aplikime praktike të ardhshme të eksperimentit, sepse mund të përmbajë më shumë informacion.
Matjet bëhen në një instrument të përdorur zakonisht në kërkime, të quajtur interferometër, ku fotonet gjuhet në një kristal (ndarës rrezeje) që ndan shtegun e fotoneve në dy shtigje të reja, të cilat më pas reflektohen në mënyrë që të kryqëzohen në një ndarës të dytë rrezeje dhe më pas maten si grimca ose valë, në varësi të gjendjes së këtij pajisjeje të dytë.
Një nga gjërat që e bën këtë konfigurim eksperimental të veçantë është se ndarësi i dytë i rrezeve mund të futet pjesërisht nga studiuesit në shtegun e dritës. Kjo e bën të mundur matjen e dritës si valë, grimca, ose një kombinim i tyre në të njëjtin konfigurim.
Sipas studiuesve, gjetjet mund të kenë shumë aplikime të ardhshme në komunikimin kuantik, metrologji dhe kriptografi. Por ka gjithashtu shumë për të eksploruar në një nivel bazë.
“Në eksperimentin tonë të ardhshëm, duam të vëzhgojmë sjelljen e fotonit nëse ndryshojmë cilësimin e kristalit të dytë menjëherë para se fotoni të arrijë tek ai. Kjo do të tregonte se mund ta përdorim këtë konfigurim eksperimental në komunikim për të shpërndarë në mënyrë të sigurt çelësa enkriptimi, gjë që është shumë emocionuese,” thotë Daniel Spegel-Lexne, student doktorature në Departamentin e Inxhinierisë Elektrike.