Введение

Эксперимент по физике

В квантовой механике эксперимент с квантовым ластиком — это интерферометрический эксперимент, демонстрирующий несколько фундаментальных аспектов квантовой механики, включая квантовую запутанность и принцип дополнительности. Эксперимент с квантовым ластиком является вариацией классического эксперимента Томаса Юнга с двумя щелями. Он показывает, что при предпринятых действиях для определения того, через какую из двух щелей прошел фотон, фотон теряет способность к интерференции с самим собой. Когда поток фотонов маркируется таким образом, интерференционная картина, характерная для эксперимента Юнга, не наблюдается. Эксперимент также создает ситуации, в которых фотон, который был "маркирован" для определения щели, через которую он прошел, впоследствии может быть "демаркирован". Фотoн, который был "демаркирован", вновь начинает интерферировать с самим собой, восстанавливая интерференционную картину, характерную для эксперимента Юнга.

Концепция

Этот эксперимент включает в себя установку с двумя основными секциями. После создания двух запутанных фотонов, каждый направляется в свою секцию установки. Любое действие, направленное на определение пути запутанного партнера фотона, исследуемого в части с двумя щелями, повлияет на второй фотон, и наоборот. Преимущество манипулирования запутанными партнерами фотонов в части установки с двумя щелями заключается в том, что экспериментаторы могут разрушить или восстановить интерференционную картину в ней, не внося изменений в саму эту часть установки. Экспериментаторы делают это, воздействуя на запутанный фотон, и могут делать это до или после того, как его партнер пройдет через щели и другие элементы установки между источником фотонов и детектирующим экраном. В условиях, когда часть установки с двумя щелями настроена таким образом, чтобы предотвратить появление интерференции (поскольку имеется определенная информация о пройденном "пути"), квантовый ластик может быть использован для эффективного удаления этой информации. Таким образом, экспериментатор восстанавливает интерференцию, не изменяя часть установки с двумя щелями. В экспериментах с отложенным выбором квантовые эффекты могут имитировать влияние будущих действий на прошедшие события. Однако временная последовательность действий измерения не имеет значения.

Процедура

Сначала фотон направляется через специализированное нелинейное оптическое устройство: кристалл бета-бариевого бората (BBO). Этот кристалл преобразует один фотон в два запутанных фотона с более низкой частотой, процесс, известный как спонтанное параметрическое рассеяние (SPDC). Эти запутанные фотоны следуют разными путями. Один фотон направляется непосредственно к детектору поляризации, а второй фотон проходит через маску с двумя щелями к второму детектору поляризации. Оба детектора подключены к схеме совпадений, что гарантирует учет только запутанных пар фотонов. Шаговый двигатель перемещает второй детектор для сканирования целевой области, создавая карту интенсивности. Эта конфигурация дает привычную интерференционную картину. Далее, перед каждой щелью в маске с двумя щелями помещается круговой поляризатор, создающий круговую поляризацию по часовой стрелке для света, проходящего через одну щель, и круговую поляризацию против часовой стрелки для света, проходящего через другую щель (см. Рисунок 1). (Какая щель соответствует какой поляризации, зависит от поляризации, зарегистрированной первым детектором.) Эта поляризация измеряется вторым детектором, тем самым "маркируя" фотоны и разрушая интерференционную картину (см. законы Френеля-Араго). Наконец, линейный поляризатор вводится в путь первого фотона запутанной пары, придавая этому фотону диагональную поляризацию (см. Рисунок 2). Запутанность обеспечивает дополнительную диагональную поляризацию его партнеру, который проходит через маску с двумя щелями. Это изменяет действие круговых поляризаторов: каждый из них будет создавать смесь света с круговой поляризацией по часовой стрелке и против часовой стрелки. Таким образом, второй детектор больше не может определить, какой путь был пройден, и интерференционные полосы восстанавливаются. Двойная щель с вращающимися поляризаторами также может быть объяснена, если рассматривать свет как классическую волну. Однако в этом эксперименте используются запутанные фотоны, которые не согласуются с классической механикой.

Другие применения

Технология квантового стирания может быть использована для повышения разрешения современных микроскопов.

Распространенное заблуждение

Общее заблуждение относительно этого эксперимента заключается в том, что его можно использовать для мгновенной передачи информации между двумя детекторами. Однако простая причинно-следственная связь исключает возможность принудительного навязывания "известной" информации наблюдаемым результатам. Важно понимать роль детектора совпадений в данной экспериментальной установке. Линейный поляризатор в верхнем канале эффективно отсеивает половину запутанных фотонов, а детектор совпадений, в свою очередь, отсеивает соответствующие фотоны в нижнем канале. Детектор совпадений может функционировать только путем сравнения данных с обоих датчиков, что делает невозможным использование этой установки для мгновенной коммуникации. Иными словами, лишь небольшой процент света, проходящего через кристалл BBO, расщепляется на запутанные пары. Подавляющее большинство фотонов, проходящих через кристалл, не расщепляются и должны быть исключены из конечного набора данных как нежелательный шум. Поскольку детекторы не могут определить, входил ли фотон в состав запутанной пары, это решение принимается на основе анализа времени и отсеивания любых фотонов, которые не были зарегистрированы одновременно с их "парой" на другом детекторе. Таким образом, когда создается пара запутанных фотонов, но один из них блокируется поляризатором и теряется, оставшийся фотон отфильтровывается из набора данных так, как если бы он был одним из множества незапутанных фотонов. Если рассматривать это с такой точки зрения, то неудивительно, что изменение параметров в верхнем канале может повлиять на измерения, проводимые в нижнем канале, поскольку оба измерения сравниваются и используются для фильтрации данных. Следует отметить, что в конечном состоянии этой экспериментальной установки измерения в нижнем канале всегда показывают размытую картину на исходных данных. Увидеть интерференционную картину возможно только путем фильтрации данных с помощью детектора совпадений и рассмотрения только тех фотонов, которые составляли половину запутанной пары.