Квантовый ластик эксперимент - Quantum eraser experiment

В квантовой механике эксперимент с квантовым ластиком представляет собой эксперимент с интерферометром, который демонстрирует несколько фундаментальных аспектов квантовой механики , включая квантовую запутанность и дополнительность . Эксперимент с квантовым ластиком - это вариант классического эксперимента Томаса Янга с двумя щелями . Он устанавливает, что, когда предпринимаются действия, чтобы определить, через какую из 2 щелей прошел фотон, фотон не может мешать самому себе. Когда поток фотонов отмечен таким образом, интерференционные полосы, характерные для эксперимента Юнга, не будут видны. Эксперимент также создает ситуации, в которых фотон, который был «помечен», чтобы показать, через какую щель он прошел, позже может быть «немаркирован». Фотон, который был «помечен», не может интерферировать с самим собой и не будет создавать паттерны полос, но фотон, который был «помечен», а затем «немаркирован», будет интерферировать с самим собой и создавать полосы, характерные для эксперимента Юнга.

Эксперимент

В этом эксперименте используется установка с двумя основными секциями. После создания двух запутанных фотонов каждый направляется в свою секцию устройства. Все, что делается для изучения пути запутанного партнера исследуемого фотона в части устройства с двумя щелями, будет влиять на второй фотон, и наоборот. Преимущество манипулирования запутанными партнерами фотонов в части экспериментального устройства с двумя щелями состоит в том, что экспериментаторы могут разрушить или восстановить интерференционную картину в последнем, не изменяя ничего в этой части устройства. Экспериментаторы делают это, манипулируя запутанным фотоном, и они могут делать это до или после того, как его партнер прошел через щели и другие элементы экспериментального устройства между излучателем фотонов и экраном обнаружения. В условиях, когда часть эксперимента с двумя щелями была настроена для предотвращения появления интерференционных явлений (поскольку существует определенная информация о том, «какой путь» присутствует), квантовый ластик может использоваться для эффективного стирания этой информации. При этом экспериментатор восстанавливает интерференцию, не изменяя двухщелевую часть экспериментальной установки.

Вариант этого эксперимента, квантовый ластик с отложенным выбором , позволяет отложить решение о том, измерять или уничтожать информацию о том, «какой путь», до тех пор, пока запутанная частица-партнер (проходящая через щели) либо не вмешается в сам себя, либо нет. В экспериментах с отложенным выбором квантовые эффекты могут имитировать влияние будущих действий на прошлые события. Однако временной порядок действий измерения не имеет значения.

Рис. 1. Перекрещенные поляризации предотвращают появление интерференционных полос.

Сначала фотон проходит через специализированное нелинейно-оптическое устройство : кристалл бета-бората бария (BBO). Этот кристалл преобразует одиночный фотон в два запутанных фотона с более низкой частотой, процесс, известный как спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты (SPDC). Эти запутанные фотоны следуют разными путями. Один фотон попадает непосредственно в разрешающий поляризацию детектор, а второй фотон проходит через маску с двойной щелью во второй разрешающий поляризацию детектор. Оба детектора подключены к схеме совпадений, благодаря чему учитываются только запутанные пары фотонов. Шаговый двигатель перемещает второй детектор для сканирования через целевую область, производя карту интенсивности. Эта конфигурация дает знакомую картину интерференции.

Рис. 2. Введение поляризатора в верхний тракт восстанавливает интерференционные полосы снизу.

Затем круговой поляризатор помещается перед каждой щелью в двухщелевой маске, создавая круговую поляризацию по часовой стрелке в свете, проходящем через одну щель, и круговую поляризацию против часовой стрелки в другой щели (см. Рисунок 1). (Какая щель соответствует какой поляризации зависит от поляризации, сообщаемой первым детектором.) Эта поляризация измеряется на втором детекторе, таким образом «маркируя» фотоны и разрушая интерференционную картину (см. Законы Френеля-Араго ).

Наконец, на пути первого фотона запутанной пары вводится линейный поляризатор , придающий этому фотону диагональную поляризацию (см. Рисунок 2). Запутывание обеспечивает дополнительную диагональную поляризацию в своем партнере, который проходит через маску с двумя щелями. Это изменяет эффект круговых поляризаторов: каждый из них будет давать смесь света с поляризацией по часовой стрелке и против часовой стрелки. Таким образом, второй детектор больше не может определять, какой путь был выбран, и интерференционные полосы восстанавливаются.

Двойную щель с вращающимися поляризаторами также можно учесть, рассматривая свет как классическую волну. Однако в этом эксперименте используются запутанные фотоны, что несовместимо с классической механикой.

Другие приложения

Технология квантового стирания может использоваться для увеличения разрешения современных микроскопов .

Распространенное заблуждение

Очень распространенное заблуждение относительно этого эксперимента состоит в том, что его можно использовать для мгновенного обмена информацией между двумя детекторами. Важно понимать роль детектора совпадений в этой экспериментальной установке. Линейный поляризатор на верхнем пути эффективно отфильтровывает половину запутанных фотонов, а через детектор совпадений отфильтровывает соответствующие фотоны на нижнем пути. Детектор совпадений может работать только путем сравнения данных от обоих датчиков, что делает невозможным использование этой установки для мгновенной связи.

Другими словами, только небольшой процент света, проходящего через кристалл BBO, расщепляется на запутанные пары. Подавляющее большинство фотонов, проходящих через кристалл, не расщепляются и должны быть удалены из окончательного набора данных как нежелательный шум. Поскольку у детекторов нет возможности измерить, был ли фотон частью запутанной пары, это решение принимается, глядя на время и отфильтровывая любые фотоны, которые не улавливаются в то же время, что и их ''. twin 'на другом детекторе. Таким образом, когда создается пара запутанных фотонов, но один из двух блокируется поляризатором и теряется, оставшийся фотон будет отфильтрован из набора данных, как если бы он был одним из многих незапутанных фотонов. Если смотреть с этой точки зрения, неудивительно, что внесение изменений в верхний путь может повлиять на измерения, сделанные на нижнем пути, поскольку эти два измерения сравниваются и используются для фильтрации данных.

Обратите внимание, что в конечном состоянии этой экспериментальной установки измерения на нижнем пути всегда показывают размытую картину на необработанных данных. Увидеть интерференционную картину можно только путем фильтрации данных с помощью детектора совпадений и рассмотрения только фотонов, которые составляли 1/2 запутанной пары.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки