Эксперимент квантового ластика

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
⚙️  Квантовая механика

Принцип неопределённости
Введение
Математические основы
См. также: Портал:Физика

Эксперимент квантового ластика - это интерференционный эксперимент, который демонстрирует некоторые фундаментальные аспекты квантовой механики, включая квантовую запутанность и принцип дополнительности.

Эксперимент квантового ластика на двух щелях, описываемый в данной статье, имеет три стадии:[1]

  1. Экспериментатор воспроизводит опыт Юнга, обстреливая фотонами пластину с двумя щелями и регистрируя интерференционную картину на экране детектора.
  2. Экспериментатор наблюдает, через какую щель проходит каждый фотон и демонстрирует, что после этого интерференционная картина разрушена. Эта стадия показывает, что само существование информации о выбранном пути вызывает разрушение интерференционной картины.
  3. Информация о выбранном пути следования фотонов "стирается", благодаря чему интерференционная картина восстанавливается. (Вместо удаления или отката всех изменений, внесённых в фотоны или их пути, в этих экспериментах обычно производят ещё одно изменение, которое скрывает произведённые ранее).

Основной результат эксперимента заключается в том, что не имеет значения, был процесс стирания выполнен до или после того, как фотоны достигли экрана детектора.[1][2]

Технология квантового стирания может быть использована для увеличения разрешающей способности современных микроскопов.[3]

Введение[править | править вики-текст]

Эксперимент квантового ластика, описываемый в данной статье, является вариацией классического опыта Юнга на двух щелях, который устанавливает, что фотон не может интерферировать с самим собой при попытке экспериментатора определить, через какую именно щель прошёл фотон. Когда поток фотонов подвергается подобному наблюдению, характерные для опыта Юнга интерференционные полосы не наблюдаются. Эксперимент квантового ластика способен создать ситуации при которых фотон, который был "промаркирован" для определения, через какую именно щель он прошёл, впоследствии может быть "очищен" от такой маркировки. "Промаркированный" фотон не может интерферировать с самим собой и не будет порождать интерференционные полосы, но фотон, который был "промаркирован" и затем "очищен", может впоследствии интерферировать с самим собой и будет способствовать порождению интерференционных полос, аналогичных полученным в ходе опыта Юнга.[1]

Эксперимент квантового ластика использует установку с двумя основными секциями. После создания двух запутанных фотонов каждый из них направляется в свою секцию. Всё действия по определению пути одного из запутанных фотонов (изучаемого в секции с двумя щелями) будут оказывать влияние на второй фотон и наоборот. Преимущество манипулирования парой запутанных фотонов заключается в том, что экспериментаторы могут разрушить или восстановить интерференционную картину без внесения изменений в ту секцию установки, которая содержит пластину с двумя щелями. Экспериментаторы добиваются этого за счёт манипулирования запутанным фотоном, и такая манипуляция может быть выполнена до или после того, как одна из запутанных частиц прошла сквозь щели и другие элементы установки между источником фотонов и экраном детектора. То есть, в условиях, когда секция с двумя щелями была собрана таким образом, чтобы предотвратить проявление феномена интерференции (вследствие наличия информации о выбранном пути следования фотона), квантовый ластик может быть использован для фактического стирания этой информации. При использовании этой возможности, экспериментатор восстанавливает интерференцию без внесения изменений в ту секцию установки, которая содержит две щели.[1]

Один из вариантов этого эксперимента, квантовый ластик с отложенным выбором[en], позволяет принять решение сохранить или уничтожить информацию о выбранном пути уже после того как одна из запутанных частиц (та, которая проходит сквозь щели) проинтерферирует (или не проинтерферирует) с самой собой.[4] В таком эксперименте квантовые эффекты могут имитировать влияние будущих действий на события в прошлом. Однако, временной порядок измерений в данном случае не имеет значения.[5]

Эксперимент[править | править вики-текст]

Рис. 1. Перекрёстная поляризация препятствует появлению интерференционных полос

Вначале фотон пропускается через специальное нелинейное оптическое устройство: кристал бета-бората бария[en] (BBO). Этот кристал преобразует единичный фотон в пару запутанных фотонов пониженной частоты, процесс известен как спонтанное параметрическое рассеяние. Эти запутанные фотоны следуют разными путями. Один фотон движется прямо к детектору, в то время как второй проходит через двухщелевую пластину на второй детектор. Оба детектора подключены к схеме совпадений, гарантирующей, что только запутанные фотоны будут учтены. Шаговый двигатель перемещает второй детектор вдоль сканируемой области, формируя карту интенсивности. Такая конфигурация порождает знакомую интерференционную картину.

Рис. 2. Введение линейного поляризатора на пути верхнего фотона восстанавливает способность нижнего порождать интерференционные полосы

Далее, круговой поляризатор помещается перед каждой прорезью в двухщелевой пластине, выполняя поляризацию по часовой стрелке для света, проходящего через одну щель и против часовой стрелки для света, проходящего через другую щель (см. рис. 1). Эта поляризация регистрируется на детекторе, "маркируя" таким образом фотоны и разрушая интерференционную картину (см. законы Френеля-Араго[en]).

Наконец, линейный поляризатор устанавливается на пути первого запутанного фотона из пары, придавая ему диагональную поляризацию (см. рис. 2). Запутанность гарантирует дополнительную диагональную поляризацию у второго фотона, который проходит через двухщелевую пластину. Это нивелирует влияние круговых поляризаторов: каждый фотон будет давать смесь света, поляризованного по часовой стрелке и против неё. Следовательно, второй детектор больше не может определить, какой именно путь был выбран и интерференционная картина восстанавливается.

Эксперимент с двойной щелью и круговыми поляризаторами также может быть описан при рассмотрении света как классической волны.[6] Однако эксперимент квантового ластика использует запутанные фотоны, которые не совместимы с классической механикой.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 3 4 Walborn, S. P. (2002). «Double-Slit Quantum Eraser». Phys. Rev. A 65 (3). arXiv:quant-ph/0106078. DOI:10.1103/PhysRevA.65.033818. Bibcode2002PhRvA..65c3818W.
  2. Englert, Berthold-Georg (1999). «REMARKS ON SOME BASIC ISSUES IN QUANTUM MECHANICS». Zeitschrift für Naturforschung 54 (1): 11–32. DOI:10.1515/zna-1999-0104. Bibcode1999ZNatA..54...11E.
  3. (2005) «Time and the Quantum: Erasing the Past and Impacting the Future». Science 307 (5711): 875–879. DOI:10.1126/science.1107787. PMID 15705840. Bibcode2005Sci...307..875A.
  4. (2000) «A Delayed Choice Quantum Eraser». Physical Review Letters 84: 1–5. arXiv:quant-ph/9903047. DOI:10.1103/PhysRevLett.84.1. Bibcode2000PhRvL..84....1K.
  5. (2016) «Delayed-choice gedanken experiments and their realizations». Rev. Mod. Phys. 88 (1): 015005. arXiv:1407.2930. DOI:10.1103/RevModPhys.88.015005. Bibcode2016RvMP...88a5005M.
  6. (June 1995) «Quantum non-locality in two-photon experiments at Berkeley». Quantum and Semiclassical Optics: Journal of the European Optical Society Part B 7 (3): 259–278. arXiv:quantph/9501016. DOI:10.1088/1355-5111/7/3/006. Bibcode1995QuSOp...7..259C.