В квантовой механике эксперимент с квантовым ластиком представляет собой эксперимент с интерферометром , который демонстрирует несколько фундаментальных аспектов квантовой механики , включая квантовую запутанность и дополнительность . [1] [2] : 328 Эксперимент с квантовым ластиком представляет собой вариацию классического эксперимента Томаса Янга с двумя щелями . Он устанавливает, что когда предпринимаются действия по определению того, через какую из двух щелей прошел фотон, фотон не может интерферировать сам с собой. При такой маркировке потока фотонов не будут видны интерференционные полосы, характерные для эксперимента Юнга. Эксперимент также создает ситуации, в которых фотон, который был «помечен», чтобы показать, через какую щель он прошел, позже может быть «не помечен». Фотон, который был «немаркирован», снова будет интерферировать сам с собой, восстанавливая полосы, характерные для эксперимента Янга. [3]
Эксперимент с квантовым ластиком был предложен в 1982 году Марланом Скалли и Каем Дрюлем в статье « Квантовый ластик: предлагаемый эксперимент по корреляции фотонов, касающийся наблюдения и «отложенного выбора» в квантовой механике , как реализуемый способ проверить до сих пор непроверенные предсказания квантовой механики. В качестве вдохновения в статье упоминаются сосредоточенность Юджина Вигнера на проблеме измерения , беседы с Уиллисом Лэмбом и мысленные эксперименты Джона Арчибальда Уиллера . В документе также указывается, что эксперимент можно провести в режиме отложенного выбора , как это было задумано в мысленных экспериментах Уиллера, что теперь известно как квантовый ластик с отложенным выбором . [4]
В этом эксперименте используется аппарат с двумя основными секциями. После создания двух запутанных фотонов каждый направляется в свою секцию аппарата. Все, что делается для того, чтобы узнать путь запутанного партнера исследуемого фотона в двухщелевой части аппарата, будет влиять на второй фотон, и наоборот. Преимущество манипулирования запутанными партнерами фотонов в двухщелевой части экспериментальной установки состоит в том, что экспериментаторы могут разрушать или восстанавливать интерференционную картину в последней, ничего не меняя в этой части установки. Экспериментаторы делают это, манипулируя запутанным фотоном, и они могут делать это до или после того, как его партнер пройдет через щели и другие элементы экспериментальной установки между излучателем фотонов и экраном обнаружения. В условиях, когда часть эксперимента с двумя щелями была организована для предотвращения появления интерференционных явлений (поскольку присутствует точная информация о том, какой путь), квантовый ластик можно использовать для эффективного стирания этой информации. При этом экспериментатор восстанавливает интерференцию, не изменяя двухщелевую часть экспериментальной установки. [3]
Разновидность этого эксперимента, квантовый ластик с отложенным выбором , позволяет отложить принятие решения о том, измерять или уничтожить информацию о «каком пути», до тех пор, пока запутанная частица-партнер (та, которая проходит через щели) либо не вмешается сама в себя, либо нет. . [5] В экспериментах с отложенным выбором квантовые эффекты могут имитировать влияние будущих действий на прошлые события. [6] Однако временной порядок измерительных действий не имеет значения. [7]
Сначала фотон пропускается через специализированное нелинейное оптическое устройство : кристалл бета-бората бария (BBO). [3] Этот кристалл преобразует одиночный фотон в два запутанных фотона более низкой частоты. Этот процесс известен как спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты (SPDC). Эти запутанные фотоны следуют разными путями. Один фотон попадает непосредственно в поляризационно-разрешающий детектор, а второй фотон проходит через двухщелевую маску ко второму поляризационно-разрешающему детектору. Оба детектора подключены к схеме совпадений , обеспечивающей подсчет только запутанных пар фотонов. Шаговый двигатель перемещает второй детектор для сканирования целевой области, создавая карту интенсивности. Эта конфигурация дает знакомую интерференционную картину.
Затем перед каждой щелью двухщелевой маски помещается круговой поляризатор , который создает круговую поляризацию по часовой стрелке для света, проходящего через одну щель, и круговую поляризацию против часовой стрелки в другую щель (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 партнера, которая проходит через двухщелевую маску. Это изменяет эффект круговых поляризаторов: каждый из них будет производить смесь света, поляризованного по часовой стрелке и против часовой стрелки. Таким образом, второй детектор больше не может определить, какой путь был выбран, и интерференционные полосы восстанавливаются.
Двойную щель с вращающимися поляризаторами также можно объяснить, рассматривая свет как классическую волну. [8] Однако в этом эксперименте используются запутанные фотоны, которые несовместимы с классической механикой.
Технологию квантового стирания можно использовать для увеличения разрешения современных микроскопов . [9]
Распространенное заблуждение относительно этого эксперимента заключается в том, что его можно использовать для мгновенной передачи информации между двумя детекторами. [10] Однако простая причинно-следственная связь исключает навязывание «данной» информации о наблюдаемых результатах. Важно понять 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 с обоих датчиков, что делает невозможным использование этой установки для мгновенной связи.
Другими словами, лишь 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 путем анализа времени и фильтрации любых фотонов, которые не были пойманы в то же время, что и их фотоны. двойник 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. С этой точки зрения неудивительно, что внесение изменений в верхний путь может повлиять на измерения, проводимые на нижнем пути, поскольку 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 необработанных данных. Увидеть интерференционную картину можно только фильтруя данные детектором совпадений и рассматривая только фотоны, составляющие 1/2 запутанной пары.