Una visión probabilística de la dualidad onda-partícula para fotones individuales

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Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz, Staudtstrasse 2, 91058 Erlangen, Alemania

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Resumen

Una de las consecuencias más desconcertantes de interpretar la mecánica cuántica en términos de conceptos tomados de la física clásica es la llamada dualidad onda-partícula. Por lo general, la dualidad onda-partícula se ilustra en términos de complementariedad entre la distinguibilidad de la trayectoria y la visibilidad de las franjas en experimentos de interferencia. En este trabajo, proponemos en cambio un nuevo tipo de complementariedad, la que existe entre la naturaleza continua de las ondas y el carácter discreto de las partículas. Utilizando los métodos probabilísticos de la teoría cuántica de campos, demostramos que la medición simultánea de la amplitud de onda y el número de fotones en el mismo haz de luz está, en determinadas circunstancias, prohibida por las leyes de la mecánica cuántica. Nuestros resultados sugieren que el concepto de "dualidad interferométrica" podría eventualmente ser reemplazado por uno más general de "dualidad continua-discreta".

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Imagen destacada: Los observables en forma de onda y partícula de un haz de luz preparado en un estado de fotón único se miden simultáneamente mediante dos detectores separados $D_1$ y $D_2$, respectivamente.

Resumen popular

Para describir el mundo tal como aparece ante nuestros sentidos, a menudo recurrimos a los conceptos de ondas y partículas. Así, hablamos de las ondas que aparecen en la superficie de un estanque cuando arrojamos una piedra al mismo, o del movimiento browniano de las partículas de polen suspendidas en el agua. En un mundo así descrito por las leyes de la física clásica, las ondas y las partículas representan diferentes aspectos de la realidad: un objeto físico puede describirse como una onda o una partícula, y estas dos descripciones son mutuamente excluyentes.

Las cosas son esencialmente diferentes en el mundo cuántico, donde los aspectos de onda y partícula están presentes en la descripción del mismo sistema físico, como un electrón o un fotón. Este hecho de la naturaleza se llama dualidad onda-partícula y se manifiesta, por ejemplo, en experimentos de interferencia de doble rendija. Como escribió Richard Feynman en sus célebres conferencias sobre física, la dualidad onda-partícula es “[…] un fenómeno que es imposible, $absolutamente$ imposible, de explicar de cualquier manera clásica, y que contiene el corazón de la mecánica cuántica. En realidad, contiene el $único$ misterio”.

En este artículo estudiamos el problema de la dualidad onda-partícula explotando el hecho fundamental de que las amplitudes de las ondas varían continuamente, mientras que las partículas se pueden contar una por una. Para este estudio, consideramos un haz de luz excitado en un estado de fotón único, que incide sobre dos detectores distintos. El primer detector mide los valores continuos de una cuadratura del campo electromagnético. El segundo detector cuenta simultáneamente el número discreto de fotones que caen sobre él. Encontramos que los resultados de estas dos mediciones simultáneas no están linealmente correlacionados pero son estadísticamente dependientes. En otras palabras, los aspectos ondulatorios (cuadratura) y partícula (número de fotones) de la luz coexisten y se afectan entre sí de forma no trivial.

Estos resultados también sugieren que las correlaciones lineales, que son comunes en muchas aplicaciones de la mecánica cuántica, en algunos casos pueden no proporcionar una imagen completa de un sistema cuántico. El uso de distribuciones de probabilidad que describen los resultados de las mediciones de los observables físicos del sistema se vuelve obligatorio para obtener una descripción precisa de este último.

► datos BibTeX

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Citado por

No se pudo recuperar Crossref citado por datos durante el último intento 2023-10-11 15:55:45: No se pudieron obtener los datos citados por 10.22331 / q-2023-10-11-1135 de Crossref. Esto es normal si el DOI se registró recientemente. En ANUNCIOS SAO / NASA no se encontraron datos sobre las obras citadas (último intento 2023-10-11 15:55:45).

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