Кіріспе
Кванттық механикадағы физикалық эксперимент. 1998 жылдың басында Юн Хо Ким, Р. Ю, С. П. Кулик, Ю. Х. Ших және Марлан О. Скалли алғаш орындаған, ал кейін баяндаған, кешіктірілген таңдау кванттық өшіргіш эксперименті – Джон Арчибальд Уилердің кешіктірілген таңдау экспериментінде қарастырылған ұғымдарды қамтитын кванттық өшіргіш экспериментінің кеңейтілген түрі. Эксперимент кванттық механикадағы екі саңылаулы эксперименттің ерекше салдарларын, сондай-ақ кванттық байланыстың салдарларын зерттеу үшін жоспарланған. Кешіктірілген таңдау кванттық өшіргіш эксперименті парадоксқа қатысты зерттеу жүргізеді. Егер фотон детекторға бір жолмен келгендей сезілсе, онда «жалпыға ортақ сана» (Уилер және басқалар оған күмәнданады) ол екі саңылаулы құрылғыға бөлшектің күйінде кірген болуы керек дейді. Егер фотон екі бірдей жолмен келгендей сезілсе, онда ол екі саңылаулы құрылғыға толқын күйінде кірген болуы керек. Сәйкесінше, егер фотонның ұшу барысында экспериментальдық құрал өзгертілсе, фотон бұрынғы «шешімін» толқын немесе бөлшек болу туралы қайта қарауы мүмкін. Уилер атап көрсеткендей, егер осы болжамдарды жұлдызаралық масштабтағы құрылғыға қолдансақ, Жерде фотонды қалай бақылау керектігі туралы соңғы минуттағы шешім миллиондаған, тіпті миллиардтаған жылдар бұрын қалыптасқан жағдайды өзгерте алады. Кешіктірілген таңдау эксперименттері қазіргі уақытта жасалған өлшемдердің өткенде болған оқиғаларды өзгертуге мүмкіндік беретіндей көрінеді, бірақ бұл тұжырым кванттық механиканың стандартты емес көзқарасын қабылдауды талап етеді. Егер ұшудағы фотон «күйлердің суперпозициясы» деп аталатын күйде болса – яғни, оған бөлшек немесе толқын ретінде көріну мүмкіндігі болса, бірақ ұшу кезінде ол ешқайсысы болмаса – онда себеп-салдарлық парадокс туындамайды. Бұл суперпозиция туралы түсінік кванттық механиканың стандартты түсіндіруін көрсетеді.
A delayed choice quantum eraser experiment, first performed by Yoon Ho Kim, R. Yu, S. P. Kulik, Y. H. Shih and Marlan O. Scully, and reported in early 1998, is an elaboration on the quantum eraser experiment that incorporates concepts considered in John Archibald Wheeler's delayed choice experiment. The experiment was designed to investigate peculiar consequences of the well known double slit experiment in quantum mechanics, as well as the consequences of quantum entanglement. The delayed choice quantum eraser experiment investigates a paradox. If a photon manifests itself as though it had come by a single path to the detector, then "common sense" (which Wheeler and others challenge) says that it must have entered the double slit device as a particle. If a photon manifests itself as though it had come by two indistinguishable paths, then it must have entered the double slit device as a wave. Accordingly, if the experimental apparatus is changed while the photon is in mid‑flight, the photon may have to revise its prior "commitment" as to whether to be a wave or a particle. Wheeler pointed out that when these assumptions are applied to a device of interstellar dimensions, a last minute decision made on Earth on how to observe a photon could alter a situation established millions or even billions of years earlier. While delayed choice experiments might seem to allow measurements made in the present to alter events that occurred in the past, this conclusion requires assuming a non standard view of quantum mechanics. If a photon in flight is instead interpreted as being in a so called "superposition of states"—that is, if it is allowed the potentiality of manifesting as a particle or wave, but during its time in flight is neither—then there is no causation paradox. This notion of superposition reflects the standard interpretation of quantum mechanics.
Кіріспе
Негізгі екі ойықты экспериментте жарық сәулесі (әдетте лазерден) екі параллель ойық арқылы тесілген қабырғаға перпендикуляр бағытталады. Егер анықтау экраны (ақ қағаздан бастап ККД-ге дейін) екі ойықты қабырғаның екінші жағына (екі ойықтан жарық шашылуы үшін жеткілікті қашықтықта) қойылса, жарық және қараңғы жолақтардың үлгісі байқалады, бұл интерференциялық үлгі деп аталады. Электрондар сияқты басқа атомдық өлшемдегі нысандар да екі ойыққа бағытталғанда осыған ұқсас мінез-құлық көрсетеді. Жарық көзінің күшін жеткілікті түрде төмендету арқылы интерференциялық үлгі құрайтын жеке бөлшектерді анықтауға болады. Интерференциялық үлгінің пайда болуы, әрбір бөлшек ойықтардан өте келе өзімен-өзі араласады және демек, бөлшектер бір уақытта екі ойықтан өтеді дегенді көрсетеді. Бұл идея біздің күнделікті өміріміздегі дискретті нысандар туралы түсінігімізге қайшы келеді. Кванттық механика тарихында маңызды рөл атқарған әйгілі ой эксперименті (мысалы, Эйнштейннің осы эксперименттің нұсқасы туралы талқылауын қараңыз), егер бөлшектерді анықтағыштар ойықтарда орналастырылса, фотонның қай ойықтан өткенін көрсете отырып, интерференциялық үлгі жоғалатынын көрсетті. Дегенмен, бұл эксперименттің техникалық жағынан іске асырылуы 1970 жылдарға дейін ұсынылмады. Қай жол туралы ақпарат және интерференциялық жолақтардың көрінуі – бір-бірін толықтыратын шамалар, яғни фотонның жолы туралы ақпаратты немесе интерференциялық жолақтарды байқауға болады, бірақ оларды бір сынақта бірдей байқау мүмкін емес. Екі ойықты экспериментте, қалыпты түсінік бойынша, бөлшектердің жолын байқау, Гейзенберг белгісіздік принципінің салдарынан, интерференциялық үлгіні жою үшін оларды жеткілікті түрде бұзуға әкеледі. 1982 жылы Скалли және Дрюль осы түсіндірмеге баламалы жол көрсетті. Олар фотонның қай ойықтан өткенін немесе олардың орналасуында, қай атомнан фотон қайта шығарылғанын сақтауды ұсынды – сол атомның тітіркенген күйінде. Осы кезде қай жол туралы ақпарат белгілі және интерференция байқалмайды. Алайда, атомды басқа фотон шығарып, негізгі күйге түсіру арқылы бұл ақпаратты «жоюға» болады. Бұл өздігінен интерференциялық үлгіні қайта әкелмейді, екінші фотонның тиісті өлшемі арқылы жол туралы ақпаратты әлі де алуға болады. Бірақ, егер екінші фотон атомдардың кез келгенінен бірдей ықтималдықпен жете алатын жерде өлшенсе, бұл қай жол туралы ақпаратты сәтті «жояды». Бастапқы фотон енді интерференциялық үлгіні көрсетеді (оның жолақтарының орналасуы екінші фотонның нақты қай жерде байқалғанына байланысты, сондықтан жалпы статистикада олар орташаланады және жолақтар көрінбейді). 1982 жылдан бері көптеген эксперименттер осы кванттық «жоюшы» әдісінің дұрыстығын көрсетті.
Қарапайым кванттық өшіргіш эксперименті
Кванттық өшіргіштің қарапайым нұсқасын былай сипаттауға болады: бір фотонды немесе оның ықтималдық толқынын екі саңылаудың арасында бөлудің орнына, фотон сәуле бөлігіштен өтеді. Егер фотондар ағыны мұндай сәуле бөлігіш арқылы кездейсоқ бағытталса және өзара әрекеттесуден сақталған екі жолмен жүрсе, онда ешбір фотон өзімен немесе басқа фотонмен кедергілесе алмайды. Егер фотондардың өндірілу жылдамдығы азайтса, аппаратқа бір уақытта тек бір фотон кірсе, фотон тек бір жолмен ғана қозғалады деп түсіну мүмкін емес, себебі жолдардың шығулары ортақ детекторда немесе детекторларда біріктірілгенде интерференция құбылысы пайда болады. Бұл екі саңылаулы аппаратта бір фотонды көзге елестетуге ұқсас: ол бір фотон болғанымен, ол бірқалай екі саңылаумен де өзара әрекеттеседі. 1-суреттегі екі схемада фотондар лазерден (сары жұлдызбен бейнеленген) біртіндеп шығарылады. Олар 50% сәуле бөлігіштен (жасыл блок) өтеді, ол фотондардың жартысын шағылыстырады немесе өткізеді. Шағылысқан немесе өткізілген фотондар қызыл немесе көк сызықтармен көрсетілген екі мүмкін жолмен жүреді. Жоғарғы схемада фотондардың траекториясы белгілі сияқты: егер фотон аппараттың үстінен шықса, ол көк жолмен келгендей, ал аппараттың бүйінінен шықса, қызыл жолмен келгендей болады. Дегенмен, фотон жолдардың суперпозициясында екенін естен шығармау керек. Жоғарыда айтылған – "оның" осы жолмен келгені" деген болжам – «бөліну қателігінің» бір түрі. Төменгі схемада оң жақтағы жоғарғы бөлігінде екінші сәуле бөлігіш енгізілген. Ол қызыл және көк жолдарға сәйкес келетін сәулелерді қайта біріктіреді. Екінші сәуле бөлігіш енгізілген кезде, әдеттегі ойлау бойынша жол туралы ақпарат «жойылған» болып есептеледі. Алайда, сақ болу керек, себебі фотон «шын мәнінде» бір немесе басқа жолмен жүрді деп есептеуге болмайды. Сәулелерді қайта біріктіру нәтижесінде шығу тесігінен кейін орналасқан детектор экранында интерференция құбылысы пайда болады. Оң жақтағылар күшейтуді, ал жоғарғы жақтағылар жоюды көрсетеді. Дегенмен, көрсетілген интерферометр эффектілері тек таза күйдегі бір фотонға ғана қатысты екенін естен шығармау керек. Егер бір-бірімен байланысқан фотондармен жұмыс істелсе, интерферометрге тап болған фотон аралас күйде болады және деректердің тиісті топтарын іріктеу үшін бірдей уақытта тіркеусіз көрінетін интерференциялық үлгі болмайды.
Кейінгі таңдау
Қазіргі кванттық өшіргіш эксперименттерінің, жоғарыда сипатталған "жай кванттық өшіргіш" сияқты, элементарлық алғышарттарын классикалық толқын арқылы түсіндіруге болады. Шындығында, бұл экспериментте ешқандай кванттық ерекшелік жоқ деп айтуға да болады. Дегенмен, Джордан сәйкестік принципіне сүйене отырып, классикалық түсіндірмелердің болуына қарамастан, жоғарыда айтылғандай, бірінші реттік интерференция эксперименттерін нағыз кванттық өшіргіштер ретінде қарастыруға болады деп сараптап көрсетті. Бұл алғышарттар жеке фотонның интерференциясын қолданады. Алайда, өрілген фотондарды қолданатын кванттық өшіргіштердің нұсқалары бастапқысынан классикалық емес. Сондықтан, кванттық және классикалық түсіндірулер арасындағы кез келген күмәнділікті болдырмау үшін, көптеген экспериментаторлар классикалық аналогы жоқ кванттық өшіргіштерді көрсету үшін классикалық емес, өрілген фотондардың жарық көздерін пайдалануды жөн көрді. Бұдан әрі, өрілген фотондарды қолдану кванттық өшіргіштің, жеке фотонның интерференциясымен қол жеткізуге болмайтын нұсқаларын жобалауға және іске асыруға мүмкіндік береді, мысалы, осы мақаланың тақырыбы – кешіктірілген таңдау кванттық өшіргіші.
Ким және басқалардың эксперименті (1999)
Ким және басқалардың егжей-тегжейлі сипаттаған эксперименттік орнатуында, ерекше атап өткен жөн, интерференциялық үлгі тежегіштер анықталғаннан кейін ғана байқауға болады (яғни D1 немесе D2 детекторында). D0 детекторындағы барлық сигнал фотондарының жалпы үлгісі, олардың байланысқан бос фотондары бірнеше түрлі детекторларға түскен жағдайда, бос фотондарға не болғанына қарамастан, ешқашан интерференцияны көрсетпейді. Бұл қалай жұмыс істейтінін R01, R02, R03 және R04 графиктерін қарап, R01 жонының R02 ең төмен нүктелерімен сәйкес келетінін байқау арқылы түсінуге болады (яғни екі интерференциялық жиек арасында π фазалық ығысу бар). R03 бір ғана максимумды көрсетеді, ал R03-қа тәжірибелік тұрғыдан ұқсас R04 да сол сияқты нәтижелерді көрсетеді. Сәйкестік санаушының көмегімен сүзгіленген байланысқан фотондар, эксперименттен алынған деректерді визуализациялау үшін 5-суретте көрсетілген. D0 детекторындағы барлық корреляцияланған санаулардың қосындысы интерференцияны көрсетпейді. Егер D0 детекторына келетін барлық фотондарды бір графикте көрсетсек, тек жарқын орталық жолақты ғана көрер едік.
Ретросаулдық
Кейінгі таңдау эксперименттері уақыт және уақыт тізбегі туралы сұрақтар тудырады, соның салдарынан уақыт және себеп-салдар тізбегі туралы қалыпты түсініктерді күмәндандырады. Егер D1, D2, D3, D4 нүктелеріндегі оқиғалар D0 нүктесіндегі нәтижелерді анықтаса, онда нәтиже себептен бұрын пайда болады. Егер бос жүріс сәулелерінің жолдары едәуір ұзартылса, мысалы, D1, D2, D3 немесе D4 нүктелерінде фотон пайда болуына бір жыл кетсе, онда фотон осы детекторлардың бірінде пайда болғанда, ол бір жыл бұрын белгілі бір режимде сигнал фотонының пайда болуына себеп болар еді. Балама ретінде, бос фотонның болашақ тағдыры туралы білім, сигнал фотонының қазіргі уақыттағы әрекетін анықтауы мүмкін. Бұл ешбір идея, себеп-салдарлық байланыс туралы адамның қалыпты көзқарасына сәйкес келмейді. Дегенмен, жасырын айнымалы болатын болашақ туралы білім, эксперименттерде жоққа шығарылды. Бір-бірімен байланысқан эксперименттер, кейбір адамдарды себеп-салдар тізбегі туралы қалыпты түсініктеріне күмән келтіретін құбылыстарды көрсетеді. Кешіктірілген таңдау кванттық жоюшысында, D0-да интерференциялық сурет пайда болады, тіпті оны құрайтын фотондарға қатысты жол туралы деректер, сигнал фотондары бастапқы детекторға тигеннен кейін ғана жойылса да. Эксперименттің осы ерекшелігі ғана емес, таң қалдырады; D0, кемінде, теориялық тұрғыдан алғанда, ғаламның бір жағында орналасуы мүмкін, ал қалған төрт детектор бір-біріне қарағанда "ғаламның екінші жағында" болуы мүмкін.
Бір пікірде: ретро-сараптама жоқ
Алайда, интерференциялық үлгі тек бос фотондар анықталғаннан кейін және экспериментатор олар туралы ақпарат алғаннан кейін ғана кері бағытта көрінеді. Экспериментатор бос фотондардың нақты детекторларға бағытталғандарымен сәйкес келетін сигнал фотондарының белгілі бір топтарын қарағанда интерференциялық үлгі пайда болады. Кешіктірілген таңдау кванттық өшіргіші ақпаратты кері себептік жолмен жібермейді, себебі сигнал фотондарындағы қабаттасқан деректерді бос фотондардың төрт түрлі детекторлық экранындағы күйлерін көрсететін төрт ағымға жіктеу үшін тағы бір сигнал қажет, және ол сигнал жарық жылдамдығынан аспайтын процесс арқылы келуі керек. Шындығында, Филипп Эберхард дәлелдеген теорема, егер релятивистік кванттық өріс теориясының қабылданған теңдеулері дұрыс болса, кванттық эффектілерді пайдаланып себептілікті эксперименттік жолмен бұзу мүмкін емес екенін көрсетеді. (Шартты ықтималдықтардың ролін ескеретін мақалаға сілтеме қараңыз.) Бұл тәжірибе, себеп-салдар қатынастарындағы уақыт реттілігі туралы біздің әдеттегі түсініктерімізге күшті қарсылық көрсетумен қатар, заттар тікелей физикалық байланыста болмаса, немесе магниттік немесе басқа да осы сияқты әсерлер арқылы өзара әрекеттеспесе, өзара әрекеттесе алмайды деген жергіліктілік туралы түсінігімізге де күшті шабуыл жасайды.
Қалған кванттық өшіргішпен жүргізілген эксперименттер
Ким және басқалардың көптеген жетілдірулері мен кеңейтулері жасалды немесе ұсынылды. Бұл жерде есептер мен ұсыныстардың тек шағын үлгісі келтірілген: Scarcelli et al. (2007) екі фотонды бейнелеу схемасына негізделген кідірілген таңдау кванттық өшіргіш эксперименті туралы хабарлады. Фотондардың қос саңылаудан өткені анықталғаннан кейін, олардың қашықтықтағы байланысты егізін өлшеу арқылы жол туралы ақпаратты өшіру немесе өшірмеу үшін кездейсоқ кідірілген таңдау жасалды; фотонның бөлшектік және толқындық мінез-құлқы бір мезгілде және сәйкесінше бір ғана бірлескен детекторлар жиынтығымен тіркелді. Peruzzo et al. (2012) кванттық басқарылатын сәуле бөлгішіне негізделген кідірілген таңдау кванттық эксперименті туралы хабарлады, онда бөлшектік және толқындық мінез-құлқы бір уақытта зерттелді. Фотонның кванттық сипаты Белл теңсіздігімен тексерілді, ол бақылаушының кідірілген таңдауын алмастырды. Rezai et al. (2018) Hong Ou Mandel интерференциясын кідірілген таңдау кванттық өшіргішімен біріктірді. Олар сәуле бөлгішке екі қарама-қайшы фотонды жіберді, нәтижесінде интерференциялық сурет байқалмайды. Шығу порттарын интеграцияланған түрде бақылағанда (яғни, барлық тіркелулерді санағанда) интерференция пайда болмайды. Тек шығатын фотондардың поляризациясы талданғанда және дұрыс ішкі жиын таңдалғанда ғана Хонг У Мандель құламасы түрінде кванттық интерференция пайда болады. Қатты күйдегі электрондық Мах-Цендер интерферометрлерін (MZI) құру оларды кванттық өшіргіш эксперименттерінің электрондық нұсқаларында пайдалану туралы ұсыныстарға әкелді. Бұл Кулондық байланыс арқылы екінші электрондық MZI-дің детектор ретінде әрекет етуімен жүзеге асырылады. Байланысты бейтарап каондар да зерттелді және кванттық белгілеу және кванттық өшіру техникаларын қолдана отырып зерттеулер үшін қолайлы деп танылды. Модификацияланған Stern Gerlach орнатылымын пайдалана отырып кванттық өшіргіш ұсынылды. Бұл ұсыныста сәйкес тіркелулерді санау қажет емес, ал кванттық өшіру қосымша Stern Gerlach магниттік өрісін қолдану арқылы жүзеге асырылады.
Scarcelli et al. (2007) reported on a delayed choice quantum eraser experiment based on a two photon imaging scheme. After detecting a photon passed through a double slit, a random delayed choice was made to erase or not erase the which path information by the measurement of its distant entangled twin; the particle like and wave like behavior of the photon were then recorded simultaneously and respectively by only one set of joint detectors. Peruzzo et al. (2012) have reported on a quantum delayed choice experiment based on a quantum controlled beam splitter, in which particle and wave behaviors were investigated simultaneously. The quantum nature of the photon's behavior was tested with a Bell inequality, which replaced the delayed choice of the observer. Rezai et al. (2018) have combined the Hong Ou Mandel interference with a delayed choice quantum eraser. They impose two incompatible photons onto a beam splitter, such that no interference pattern could be observed. When the output ports are monitored in an integrated fashion (i. e. counting all the clicks), no interference occurs. Only when the outcoming photons are polarization analysed and the right subset is selected, quantum interference in the form of a Hong Ou Mandel dip occurs. The construction of solid state electronic Mach–Zehnder interferometers (MZI) has led to proposals to use them in electronic versions of quantum eraser experiments. This would be achieved by Coulomb coupling to a second electronic MZI acting as a detector. Entangled pairs of neutral kaons have also been examined and found suitable for investigations using quantum marking and quantum erasure techniques. A quantum eraser has been proposed using a modified Stern Gerlach setup. In this proposal, no coincident counting is required, and quantum erasure is accomplished by applying an additional Stern Gerlach magnetic field.