De 21e eeuw is ongetwijfeld het tijdperk van de kwantumwetenschap geweest. Kwantummechanica werd geboren in het begin van de 20e eeuw en is gebruikt om ongekende technologieën te ontwikkelen, waaronder kwantuminformatie, kwantumcommunicatie, kwantummetrologie, kwantumbeeldvorming, en kwantumdetectie. Echter, in de kwantumwetenschap, er zijn nog steeds onopgeloste en zelfs onbegrijpelijke kwesties zoals de dualiteit en complementariteit van golven en deeltjes, superpositie van golffuncties, golffunctie instorten na kwantummeting, golffunctie verstrengeling van de samengestelde golffunctie, enzovoort.

Om het fundamentele principe van golf-deeltjes dualiteit en complementariteit kwantitatief te testen, er is een kwantumcomposietsysteem nodig dat kan worden bestuurd door experimentele parameters. Tot dusver, er zijn verschillende theoretische voorstellen gedaan nadat Neils Bohr het concept van "complementariteit" in 1928 introduceerde, maar slechts een paar ideeën zijn experimenteel getest, waarmee ze interferentiepatronen detecteren met een lage zichtbaarheid. Dus, het concept van complementariteit en golf-deeltjesdualiteit blijft nog steeds ongrijpbaar en is nog niet volledig experimenteel bevestigd.

Om dit probleem aan te pakken, een onderzoeksteam van het Instituut voor Basiswetenschappen (IBS, Zuid-Korea) construeerde een interferometer met twee paden, bestaande uit twee parametrische neerwaartse conversiekristallen die werden gezaaid door coherente idler-velden, die wordt weergegeven in figuur 1. Het apparaat genereert coherente signaalfotonen (quantons) die worden gebruikt voor het meten van kwantuminterferentie. De quantons reizen vervolgens langs twee afzonderlijke paden voordat ze de detector bereiken. De geconjugeerde idler-velden worden gebruikt voor het extraheren van padinformatie met controleerbare getrouwheid, die nuttig is voor het kwantitatief ophelderen van de complementariteit.

Bij een echt experiment de bron van quantons is niet zuiver vanwege de verstrengeling met de resterende vrijheidsgraden. Echter, de zuiverheid van de quantonbron wordt nauw begrensd door de verstrengeling tussen de gegenereerde quantons en alle andere resterende vrijheidsgraden door de relatie μ _s =√(1— E ² ), wat de onderzoekers experimenteel bevestigden.

De golf-deeltjes dualiteit en de kwantitatieve complementariteit P ² + V ² = μ _s ² ( P , a priori voorspelbaarheid; V , zichtbaarheid) werden geanalyseerd en getest met behulp van dit verstrengelde niet-lineaire bi-photon source (ENBS) systeem, waar de superpositietoestanden van de quantons op een controleerbare manier kwantummechanisch verstrengeld zijn met geconjugeerde inactieve toestanden. Er werd aangetoond dat a priori voorspelbaarheid, zichtbaarheid, verstrikking (dus bron zuiverheid, en getrouwheid in ons ENBS-model) zijn strikt afhankelijk van de fotonnummers van de zaadbundel. Dit wijst op de mogelijke toepassing van deze benadering voor de voorbereiding van verre verstrengelde fotontoestanden.

Richard Feynman verklaarde ooit dat het oplossen van de puzzel van de kwantummechanica ligt in het begrijpen van het dubbelspletenexperiment. Verwacht wordt dat de interpretatie op basis van de dubbel-pad interferometrie-experimenten met ENBS fundamentele implicaties zal hebben voor een beter kwantitatief begrip van het principe van complementariteit en de dualiteitsrelatie tussen golven en deeltjes.

Dit onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Vooruitgang in de wetenschap.