回到 1920 年代，量子力学这一从原子行为到量子计算机运行的一切事物的基础理论，正逐渐获得广泛接受。 但仍然存在一个谜：有时量子物体，如电子、原子和分子，表现得像粒子，而另一些则像波。 有时它们甚至同时表现得像粒子和波。 因此，在研究这些量子物体时，科学家们一直不清楚应该使用什么方法进行计算。
有时科学家不得不假设量子物体是波才能得到正确的结果。 在其他情况下，他们不得不假设这些物体实际上是粒子。 有时这两种方法都有效。 但在其他情况下，只有一种方法产生了正确的结果，而另一种方法返回了虚假结果。 这个问题的历史可以追溯到很久以前，但最近的实验为这个老问题提供了新的思路。
量子历史
在 1801 年由 Thomas Young 首次进行的同名双缝实验中，光表现得像波。 在这个实验中，激光束对准双缝，然后观察产生的图案。 如果光是由粒子组成的，那么人们会期望有两个狭缝状的光块。 相反，结果是许多小光块以特征图案排列。 在水流中放置双缝会在下方产生相同的图案。 所以这个实验得出了光是波的结论。
然后，在 1881 年，海因里希·赫兹 (Heinrich Hertz) 有了一个有趣的发现。 当他拿两个电极并在它们之间施加足够高的电压时，就出现了火花。 这个是正常的。 但是当赫兹将光照在这些电极上时，火花电压发生了变化。 这可以通过光将电子从电极材料中击出这一事实来解释。 但是，奇怪的是，射出电子的最大速度并没有随着光强的变化而变化，而是随着光的频率而变化。 如果波浪理论是正确的，这个结果将是不可能的。 1905 年，爱因斯坦提出了一个解决方案：光实际上是一个粒子。 这一切都不尽如人意。 科学家更喜欢一种总是正确的理论而不是两种有时正确的理论。 如果一个理论仅在某些时候为真，那么我们至少希望能够说出它在什么条件下为真。
但这恰恰是这一发现的问题所在。 物理学家不知道何时将光或任何其他物体视为波，何时将其视为粒子。 他们知道有些东西会导致类似波浪的行为，例如狭缝的边缘。 但他们没有明确解释为什么会这样或何时使用任何理论。
这个谜语叫做 微粒波二元论, 至今保存完好。 但是一项新的研究可能会阐明这种情况。 韩国基础科学研究所的科学家表明，光源的特性会影响它是粒子的程度，还是波的程度。 通过研究这个问题的新方法，他们铺平了一条甚至可能导致量子计算改进的道路。 或者这样的希望。
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如何制作粒子和波浪
在实验中，科学家们使用半反射镜将激光束分成两部分。 这些光线中的每一条都撞击晶体，晶体又产生两个光子。 总共发射四个光子，每个晶体两个。
科学家们将每个晶体的一个光子发送到干涉仪中。 该设备结合了两个光源并创建了一个干涉图样。 这种模式首先由 Thomas Young 在他前面提到的双缝实验中发现。 这也是您将两块石头扔进池塘时所看到的：水波纹，其中一些相互加强，另一些则相互抵消。 换句话说，干涉仪检测光的波动性。
另外两个光子的路径被用来确定它们的微粒特性。 尽管这篇论文的作者没有具体说明他们是如何做到这一点的，但通常是通过让光子穿过显示光子去向的材料来完成的。 例如，您可以通过气体发射光子，然后气体会在光子经过的地方点燃。 通过关注轨迹而不是最终目的地，光子可以是波。 这是因为如果你在每个时刻测量光子的确切位置，那么它就是点状的，不能撞到自己。
这是量子物理学中的许多例子之一，其中测量会积极影响所述测量的结果。 因此，在这部分实验中，光子轨迹末端的干涉图案不存在。 因此，研究人员发现了光子如何成为粒子。 现在的挑战是量化其中有多少是粒子，还有多少是波动性质的。
由于同一晶体的两个光子是一起产生的，因此它们形成一个单一的量子态。 这意味着可以找到同时描述这两个光子的数学公式。 因此，如果研究人员能够量化两个光子的“偏性”和“波长”有多强，那么这种量化就可以应用于到达晶体的整个光束。
事实上，研究人员成功了。 他们通过检查干涉图案的可见性来测量光子的波动程度。 当能见度高时，光子非常像波浪。 当图案几乎看不见时，他们得出结论，光子一定非常像粒子。
而这种可见性是偶然的。 当两个晶体都接收到相同强度的激光束时，它是最高的。 然而，如果一个晶体发出的光束比另一个晶体强得多，图案的可见度就会变得非常微弱，光子更可能看起来像粒子。
这一结果令人惊讶，因为在大多数实验中，光仅以波或粒子的形式被测量。 今天，在几个实验中，同时测量了这两个参数。 这意味着很容易确定光源具有多少每个属性。
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理论物理学家很高兴
这一结果与理论家早先的预测相吻合。 根据他们的理论，量子物体的波状和微粒状程度取决于光源的纯度。 在这种情况下，纯度只是一种奇特的方式来表达特定晶体源将成为发光源的可能性。 公式如下：V2 + P2 = µ2，其中V是方向图的可见度，P是路径的可见度，µ是光源的纯度。
这意味着像光这样的量子物体可以在某种程度上是波状的，在某种程度上是粒子状的，但这受到光源纯度的限制。 如果干涉图案可见或 V 的值不等于零，则量子物体是波状的。 此外，如果路径是可观察的或 P 不为零，则它是类粒子的。
这个预测的另一个结果是纯度是，如果量子路径的纠缠度高，则纯度低，反之亦然。 进行该实验的科学家在他们的工作中以数学方式证明了这一点。 通过调整晶体的纯度并测量结果，他们能够证明这些理论预测确实是正确的。
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更快的量子计算机？
量子物体的纠缠与其粒子性和波动性之间的联系特别有趣。 可以为量子互联网提供动力的量子设备基于纠缠。 量子互联网是互联网对于经典计算机的量子类比。 通过将多台量子计算机连接在一起并允许它们共享数据，科学家们希望获得比单台量子计算机更强大的能力。
但是，我们需要将量子位纠缠以形成量子互联网，而不是通过光纤发送比特，这是我们为经典互联网提供动力所做的。 能够测量粒子的纠缠和光子的波度意味着我们可以找到更简单的方法来控制量子互联网的质量。
此外，量子计算机本身可以通过使用粒子波二元论变得更好。 根据中国清华大学研究人员的提议，可以通过多缝晶格运行小型量子计算机以增加其功率。 一台小型量子计算机将由几个原子组成，这些原子本身用作量子位，并且此类设备已经存在。
让这些原子通过多缝晶格与让光通过双缝非常相似，当然要稍微复杂一些。 这将创造更多可能的量子态，这反过来又会增加“发射”计算机的功率。 这背后的数学过于复杂，无法在本文中解释，但重要的结果是，这样的双量子计算机可以比传统的量子计算机更好地进行并行计算。 并行计算在经典计算中也很常见，基本上是指计算机同时执行多项计算的能力，从而使其整体速度更快。
因此，虽然这是非常基础的研究，但可能的应用已经出现。 目前无法证明，但这些发现可以加快量子计算机的速度，并略微加快量子互联网的出现。
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非常基础，但非常有趣
所有这些都应该带着极大的怀疑态度来看待。 这项研究很扎实，但也很基础。 与科学技术领域的情况一样，从基础研究到实际应用还有很长的路要走。
但是韩国的研究人员发现了一件很有趣的事情：粒子波二元论之谜不会很快消失。 相反，它似乎深深植根于所有的量子物体中，用起来更好。 有了与来源纯度相关的新定量基础，这将更容易做到。
第一个用例可能出现在量子计算中。 正如科学家们所表明的那样，量子纠缠和粒子波二元论是相关的。 因此，可以测量波纹度和微粒度的数量，而不是纠缠。 这可以帮助致力于创建量子互联网的科学家。 或者你可以使用 二元性 改进量子计算机并使其更快。 无论哪种方式，看起来激动人心的量子时代指日可待。
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