Eksperyment z gumką kwantową - Quantum eraser experiment
| Część serii artykułów o |
| Mechanika kwantowa |
|---|
W mechanice kwantowej The eksperyment kwantowa gumka jest eksperyment interferometr , który demonstruje kilka podstawowych aspektów mechaniki kwantowej , w tym splątania kwantowego i komplementarności . Eksperyment z gumką kwantową jest odmianą klasycznego eksperymentu z podwójną szczeliną Thomasa Younga . Ustala, że gdy podejmuje się działania mające na celu określenie, przez którą z 2 szczelin foton przeszedł, foton nie może sam siebie zakłócać. Gdy strumień fotonów zostanie oznaczony w ten sposób, to prążki interferencyjne charakterystyczne dla eksperymentu Younga nie będą widoczne. Eksperyment stwarza również sytuacje, w których foton, który został „zaznaczony”, aby ujawnić, przez którą szczelinę przeszedł, może później zostać „odznaczony”. Foton, który został „zaznaczony” nie może interferować sam ze sobą i nie będzie wytwarzał wzorów prążków, ale foton „zaznaczony”, a następnie „nieoznaczony” będzie interferował sam ze sobą i wytwarzał prążki charakterystyczne dla eksperymentu Younga.
Eksperyment
Ten eksperyment obejmuje aparat z dwiema głównymi sekcjami. Po utworzeniu dwóch splątanych fotonów każdy jest kierowany do własnej sekcji aparatu. Wszystko, co zostanie zrobione w celu poznania ścieżki splątanego partnera badanego fotonu w podwójnej części aparatu, wpłynie na drugi foton i odwrotnie. Zaletą manipulowania splątanymi partnerami fotonów w podwójnej części aparatu eksperymentalnego jest to, że eksperymentatorzy mogą zniszczyć lub przywrócić wzór interferencji w tym ostatnim bez zmiany czegokolwiek w tej części aparatu. Eksperymentatorzy robią to, manipulując splątanym fotonem i mogą to zrobić przed lub po tym, jak jego partner przejdzie przez szczeliny i inne elementy aparatury eksperymentalnej między emiterem fotonów a ekranem detekcyjnym. W warunkach, w których część eksperymentu z podwójną szczeliną została skonfigurowana tak, aby zapobiec pojawianiu się zjawisk interferencyjnych (ponieważ istnieje definitywna informacja „która ścieżka” jest obecna), można użyć gumki kwantowej do skutecznego wymazania tych informacji. W ten sposób eksperymentator przywraca interferencję bez zmiany podwójnej części aparatu doświadczalnego.
Odmiana tego eksperymentu, gumka kwantowa z opóźnionym wyborem , pozwala na opóźnienie decyzji, czy zmierzyć, czy zniszczyć informację „która ścieżka” zostanie opóźniona do czasu, gdy splątany partner cząstki (ten przechodzący przez szczeliny) albo zainterweniuje sam ze sobą, albo nie. W eksperymentach z odroczonym wyborem efekty kwantowe mogą naśladować wpływ przyszłych działań na przeszłe wydarzenia. Jednak czasowa kolejność czynności pomiarowych nie jest istotna.
Najpierw foton jest wystrzeliwany przez wyspecjalizowane nieliniowe urządzenie optyczne : kryształ beta-boranu baru (BBO). Kryształ ten przekształca pojedynczy foton w dwa splątane fotony o niższej częstotliwości w procesie znanym jako spontaniczna parametryczna konwersja w dół (SPDC). Te splątane fotony podążają oddzielnymi ścieżkami. Jeden foton trafia bezpośrednio do detektora rozdzielającego polaryzację, podczas gdy drugi foton przechodzi przez maskę z podwójną szczeliną do drugiego detektora rozdzielającego polaryzację. Oba detektory są połączone z obwodem koincydencji , dzięki czemu zliczane są tylko splątane pary fotonów. Silnik krokowy przesuwa drugi detektor skanowanie całej strefie docelowej, wytwarzania mapę intensywności. Ta konfiguracja daje znany wzór interferencji.
Następnie polaryzator kołowy jest umieszczany przed każdą szczeliną w masce z podwójną szczeliną, wytwarzając polaryzację kołową zgodnie z ruchem wskazówek zegara w świetle przechodzącym przez jedną szczelinę i polaryzację kołową przeciwnie do ruchu wskazówek zegara w drugiej szczelinie (patrz rysunek 1). (Która szczelina odpowiada której polaryzacja zależy od polaryzacji zgłaszanej przez pierwszy detektor.) Polaryzacja ta jest mierzona na drugim detektorze, w ten sposób „oznaczając” fotony i niszcząc wzór interferencyjny (patrz prawa Fresnela-Arago ).
Na koniec w ścieżce pierwszego fotonu splątanej pary wprowadza się polaryzator liniowy , nadając temu fotonowi polaryzację diagonalną (patrz rysunek 2). Splątanie zapewnia komplementarną polaryzację diagonalną u swojego partnera, która przechodzi przez maskę z podwójną szczeliną. Zmienia to działanie polaryzatorów kołowych: każdy z nich wytwarza mieszankę światła spolaryzowanego zgodnie z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. W ten sposób drugi detektor nie może już określić, która ścieżka została wybrana, a prążki interferencyjne zostają przywrócone.
Podwójną szczelinę z obracającymi się polaryzatorami można również uwzględnić, uznając światło za falę klasyczną. Jednak ten eksperyment wykorzystuje splątane fotony, które nie są zgodne z mechaniką klasyczną.
Inne aplikacje
Technologia wymazywania kwantowego może być wykorzystana do zwiększenia rozdzielczości zaawansowanych mikroskopów .
Powszechne niezrozumienie
Bardzo powszechnym nieporozumieniem związanym z tym eksperymentem jest to, że można go wykorzystać do natychmiastowego przekazywania informacji między dwoma detektorami. Ważne jest, aby zrozumieć rolę detektora koincydencji w tej konfiguracji eksperymentalnej. Polaryzator liniowy w górnej ścieżce skutecznie odfiltrowuje połowę splątanych fotonów, a poprzez detektor koincydencji odfiltrowuje odpowiadające im fotony w dolnej ścieżce. Detektor koincydencji może działać tylko porównując dane z obu czujników, co uniemożliwia wykorzystanie tej konfiguracji do natychmiastowej komunikacji.
Innymi słowy, tylko niewielki procent światła przechodzącego przez kryształ BBO jest dzielony na splątane pary. Zdecydowana większość fotonów przechodzących przez kryształ nie jest rozszczepiana i musi zostać usunięta z końcowego zestawu danych jako niepożądany szum. Ponieważ nie ma możliwości, aby detektory zmierzyły, czy foton był częścią splątanej pary, decyzja ta jest podejmowana na podstawie czasu i odfiltrowania wszelkich fotonów, które nie są wychwytywane w tym samym czasie, co ich ' bliźniakiem przy drugim detektorze. Tak więc, gdy utworzona zostanie para splątanych fotonów, ale jeden z nich zostanie zablokowany przez polaryzator i utracony, pozostały foton zostanie odfiltrowany z zestawu danych tak, jakby był jednym z wielu niesplątanych fotonów. Patrząc w ten sposób, nie jest zaskakujące, że wprowadzanie zmian w górnej ścieżce może mieć wpływ na pomiary wykonane w dolnej ścieżce, ponieważ oba pomiary są porównywane i wykorzystywane do filtrowania danych.
Zauważ, że w końcowym stanie tej konfiguracji eksperymentalnej pomiary na dolnej ścieżce zawsze pokazują rozmazany wzór na surowych danych. Widzenie wzoru interferencyjnego jest możliwe tylko przez filtrowanie danych za pomocą detektora koincydencji i patrzenie tylko na fotony, które były po 1/2 splątanej pary.