在一项新实验的帮助下，Link?ping大学的研究人员和其他研究人员成功地证实了一项10年前的理论研究，该研究将量子力学最基本的方面之一——互补性原理——与信息论联系起来。来源：Magnus Johansson

在量子力学的奇妙世界里，光展现出了令人费解的波粒二象性——它既是粒子也是波，这一特性可以追溯到17世纪的科学争论，并在20世纪初得到了爱因斯坦和普朗克的进一步探索。然而，这一特性的真正内涵直到尼尔斯·玻尔提出互补原理才得以深刻揭示：我们无法同时观测到光的波和粒子特性，但无论选择测量哪一种，波和粒子特征的组合总是保持恒定。

近年来，这一原理与量子系统中未知信息的程度——即熵不确定性——之间的联系引起了科学家们的广泛关注。2014年，新加坡的一个研究小组从数学上证明了这一联系，表明在观察量子系统的波或粒子特征时，未知信息的数量至少为一个比特。

为了验证这一理论，瑞典Link?ping大学的研究人员与来自波兰和智利的同事合作，开展了一项新型实验。他们使用光子作为实验对象，但不同于常见的上下振荡运动，这次光子以圆周运动向前移动，这种运动被称为轨道角动量。轨道角动量的选择为未来实验的实际应用提供了可能，因为它能够承载更多的信息。

在实验中，研究人员成功地在现实中证实了新加坡研究人员的理论。他们发现，无论选择观测光子的波特性还是粒子特性，未知信息的数量始终不低于一个比特。这一发现不仅展示了基本的量子力学行为，还为量子信息和量子计算机技术的发展奠定了理论基础。

Joakim Argillander和Daniel Spegel-Lexne， LiU电子工程系博士生。来源：Magnus Johansson

在科学的奇妙探索中，干涉仪作为一种精密的研究工具，正引领我们深入了解光子的神秘世界。想象一下，光子就像一个个微小的信息使者，它们在干涉仪中被精心引导，展开了一场奇妙的旅程。

当这些光子遇到第一个晶体（也被称为分束器）时，它们的行进路线被巧妙地一分为二，仿佛光子同时踏上了两条并行的道路。这两条路径上的光子各自前行，直到它们被反射回来，并在第二个分束器处交汇。这个交汇点，就是决定光子身份的关键时刻——它们将以波的形式、粒子的形式，还是介于两者之间的某种状态被测量，而这一切，都取决于第二个分束器的状态。

令人惊叹的是，研究人员可以像魔术师一样，通过部分插入或调整第二个分束器，来控制这一测量过程。这意味着，在同一台干涉仪中，我们可以观察到光子展现出波动、粒子或两者混合的特性，这种灵活性为科学研究打开了全新的视角。

Daniel Spegel-Lexne，一位电子工程系的博士生，对此充满了期待。他设想了一个更加前沿的实验：在光子即将到达第二个晶体之前，迅速改变干涉仪的设置。这一举动将是对光子行为的一次极限挑战，因为理论上，光子应该已经“决定”了自己将以何种形式存在。然而，根据量子力学的奇异规律，光子的行为可能会因为干涉仪设置的改变而“重新决定”。

这一发现如果得到验证，将对量子通信领域产生深远影响。想象一下，在量子通信中，我们可以利用这种干涉仪来安全地分发加密密钥。由于量子态的不可克隆性和测量的不确定性，任何试图窃取密钥的行为都会立即被察觉，从而确保了通信的绝对安全。

当然，这只是量子世界众多可能应用中的一个。在计量学领域，干涉仪的精确测量能力可以帮助我们更准确地理解物理常数，推动科学理论的进步。而在密码学方面，量子密钥分发技术有望成为未来网络安全的核心支柱。

尽管这些前景令人振奋，但科学家们也清醒地认识到，基础层面的研究仍然任重道远。他们需要更深入地理解量子态的演化规律，以及如何在实践中稳定地操控这些微妙的量子现象。只有这样，我们才能将干涉仪中的这些发现转化为现实世界的实际应用，开启一个充满无限可能的量子时代。