Квантовый ластик с отложенным выбором — интерференционный эксперимент, впервые выполненный Юн-Хо Кимом, Р. Юу, С. П. Куликом, Й. Х. Ши и и опубликованный в начале 1999 года, развивший идею эксперимента с квантовым ластиком, в который включены концепции, рассмотренные в эксперименте Уилера с отложенным выбором. Эксперимент был разработан для исследования специфических последствий известного двухщелевого опыта в квантовой механике, а также последствий квантовой запутанности.
Квантовый ластик с отложенным выбором исследует следующий парадокс: Если фотон ведет себя так, как прошедший к детектору по одному из возможных путей, тогда «здравый смысл» (который Уилер и другие подвергают сомнению) говорит, что он должен был пройти двухщелевое устройство в виде частицы. Если же фотон ведет себя так, как прошедший через два неразличимых пути, то он должен был пройти двухщелевое устройство как волна. Если же изменить экспериментальную установку в момент времени, когда фотон находится в пути, то фотон должен изменить свое первоначальное «решение» относительно того, быть ли ему волной или частицей. Уилер указал, что, если эти предположения применить к устройству космических размеров, то решение о наблюдении фотона, принятое в последнюю минуту на Земле, может изменить ранее принятое решение, которое было сделано миллионы или даже миллиарды лет назад.
Ситуация, когда измерения, проведенные на фотонах в настоящем, могут менять уже свершившиеся события, требует нестандартного представления о квантовой механике. Если летящий фотон интерпретируется как находящийся в так называемом «состоянии суперпозиции», то есть, если он понимается как нечто, что может проявить себя в виде частицы или волны, то в полете он не находится ни в одном из двух состояний, а значит нет и временного парадокса. Это стандартное представление, которое подтверждается последними экспериментамиMa, Zeilinger, et al., «Quantum erasure with causally disconnected choice». See: http://www.pnas.org/content/110/4/1221 «Our results demonstrate that the viewpoint that the system photon behaves either definitely as a wave or definitely as a particle would require faster-than-light communication. Because this would be in strong tension with the special theory of relativity, we believe that such a viewpoint should be given up entirely.»Peruzzo, et al., «A quantum delayed choice experiment», arXiv:1205.4926v2 [quant-ph] 28 Jun 2012. This experiment uses Bell inequalities to replace the delayed choice devices, but it achieves the same experimental purpose in an elegant and convincing way..
Введение В базовом эксперименте с двумя щелями луч света (обычно от лазера) направлен перпендикулярно к стене, в которой есть два параллельных щелевых отверстия. Если проекционный экран (что угодно, от листа белой бумаги до ПЗС) будет помещён с другой стороны от стенки с двойной щелью, будет наблюдаться изображение из светлых и темных полос, которое называется интерференционной картиной. Обнаружено, что другие объекты атомного масштаба, например электроны, проявляют то же самое поведение при стрельбе через двойную щель. Можно так уменьшать яркость источника, что станет возможно различать отдельные частицы, которые образуют интерференционную картину. Появление интерференционной картины говорит о том, что каждая частица, проходящая через щели, интерферирует сама с собой, и поэтому в некотором смысле частица проходит одновременно через обе щели. Такая идея противоречит нашему повседневному опыту работы с дискретными объектами.
Хорошо известный мысленный эксперимент, сыгравший критически важную роль в истории квантовой механики (например, см. обсуждение Эйнштейновской версии этого эксперимента), продемонстрировал, что если детекторы частиц расположить на щелях так, чтобы выяснить, через какую щель проходит фотон, то интерференционная картина исчезает. Этот эксперимент с выявлением пути иллюстрирует принцип дополнительности, согласно которому фотоны могут вести себя или как частицы или как волны, но не оба варианта одновременно. Однако технически выполнимые способы реализации этого эксперимента не существовали до 1970-х годов.
Следовательно, информация о пути и видимость интерференционных полос являются дополнительными величинами. В двухщелевом эксперименте общепринятая точка зрения заключалась в том, что наблюдение частиц неизбежно нарушало их настолько, что интерференционная картина разрушалась в результате принципа неопределенности Гейзенберга.
Однако в 1982 году в этой интерпретации Скалли и Дрюль нашли лазейку. Они предложили «квантовый ластик» для получения информации о пути без рассеивания частиц или, другими словами, вводя в них неконтролируемые . Вместо того, чтобы пытаться наблюдать, какой фотон входит в какую щель (мешая им таким образом), они предложили «пометить» их информацией, которая позволила бы различить фотоны после прохождения через щели. И интерференционная картина действительно исчезает при такой маркировке фотонов. Однако интерференционная картина появляется снова, если с целью скрытия маркировки пути проводятся дополнительные манипуляции с информацией о пути после того, как отмеченные фотоны прошли через двойную щель. Начиная с 1982 года многочисленные эксперименты продемонстрировали доказательства так называемого квантового «ластика».
Простой эксперимент с квантовым ластиком Простую версию квантового ластика можно описать следующим образом: вместо того, чтобы расщеплять один фотон или его волну вероятности между двумя щелями, фотон пропускается через . С точки зрения потока фотонов, каждый фотон направляется таким светоделителем случайно по одному из двух путей, и, таким образом, фотоны защищены от взаимодействия друг с другом, и может показаться, что ни один фотон не сможет проинтерферировать ни с собой, ни с другими.
Однако, если частота испускания фотонов уменьшается до уровня, когда в один момент времени только один фотон входит в прибор, становится непонятно каким образом фотон движется только по одному из путей, потому что когда пути выводят на общий детектор или детекторы, то появляются интерференция. Это похоже на поведение одного фотона в двухщелевом приборе: даже если это один фотон, он все равно каким-то образом взаимодействует с обеими щелями.
На двух диаграммах на рис. 1 фотоны испускаются из лазера, обозначенного жёлтой звездой, по одному. Они проходят через 50 % светоделитель (зелёный блок), который половину фотонов отражает, а другую пропускает без отражения. Отражённые и прошедшие фотоны движутся по двум разным путям, обозначенным красными и синими линиями.
На верхней диаграмме кажется, что нам известны траектории фотонов: если фотон выходит из прибора вверх, кажется, что он прошёл по синему пути, а если он выходит вбок, то кажется, он прошёл по красному пути. Однако важно помнить, что до детектирования фотон находится в суперпозиции путей. Вышеупомянутое предположение о том, что он должен был пройти по одному из путей, является «ошибкой разделения».
На нижней диаграмме справа вверху добавлен второй светоделитель. Он объединяет лучи, соответствующие красному и синему путям. При введении второго светоделителя удобно представлять, что информация о пути была «стёрта» — однако мы должны быть внимательны, поскольку нельзя предположить, что фотон «действительно» прошёл по тому или иному пути. Повторное объединение лучей приводит к возникновению интерференции на детекторных экранах, расположенных сразу за каждым из выходов. В правой части наблюдается усиление, а в верхней части — ослабление. Однако важно помнить, что показанные эффекты интерферометра применимы только к одному фотону в чистом состоянии. При работе с парой запутанных фотонов фотон, встречающийся с интерферометром, будет находиться в смешанном состоянии, и таким образом не будет видимой интерференционной картины без подсчёта совпадений, нужных для выбора соответствующих подмножеств данных.
Отложенный выбор Элементарные предшественники современных экспериментов с квантовым ластиком, такие как «простой квантовый ластик», описанный выше, имеют простые классические волновые объяснения. Действительно, можно утверждать, что в этом эксперименте нет ничего особенно квантового. Тем не менее Джордан на основе принципа соответствия утверждал, что, несмотря на существование классических объяснений, эксперименты с интерференцией первого порядка, такие как приведенные выше, можно интерпретировать как истинные квантовые ластики.
Эти предшественники используют однофотонную интерференцию. Однако версии квантового ластика, использующие запутанные фотоны, изначально неклассичны. Из-за этого, чтобы избежать любой возможной двусмысленности относительно квантовой и классической интерпретации, большинство экспериментаторов решили использовать неклассические источники света с запутанными фотонами для демонстрации квантовых ластиков без классического аналога.
Кроме того, использование запутанных фотонов позволяет проектировать и реализовывать версии квантового ластика, которых невозможно достичь с помощью однофотонной интерференции, такие как квантовый ластик с отложенным выбором, который и является темой данной статьи.
Эксперимент Кима и соавт. (1999)
На рис.2 изображена экспериментальная установка, подробно описанная Кимом и его соавторами Юу, Куликом, Ши, Марланом и Скалли.. Аргоновый лазер генерирует отдельные 351,1нм фотоны, которые проходят через двухщелевую установку (вертикальная чёрная линия в левом верхнем углу диаграммы).
Отдельный фотон проходит через одну (или обе) из двух щелей. На иллюстрации траектории фотонов имеют цветовое обозначение в виде красных или светло-голубых линий, чтобы указать, через какую щель прошел фотон (красный цвет обозначает щель A, светло-синий — щель B).
Пока что эксперимент похож на обычный эксперимент с двумя щелями. Однако после щелей используется спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты (SPDC) для подготовки запутанного двухфотонного состояния. Это делается с помощью нелинейного оптического кристалла BBO (), который преобразует фотон (из любой щели) в два идентичных, ортогонально поляризованных запутанных фотона с половинной частотой исходного фотона. Пути, по которым идут эти ортогонально поляризованные фотоны, определяются .
Один из этих 702,2нм фотонов, называемый «сигнальным» фотоном (см красные и светло-голубые линии, идущие вверх от призмы Глана-Томпсона), продолжает двигаться до целевого детектора под названием D0, при этом расстояние от щелей до D0 меньше чем до светоделителей BSa и BSb. Во время эксперимента детектор D0 сканируется вдоль своей оси x, его движение контролируются шаговым двигателем. Можно изучить график количества «сигнальных» фотонов, обнаруженных детектором D0 относительно x для определения, формирует ли интерференционную картину совокупный сигнал.
Другой запутанный фотон, называемый «холостым» фотоном (см красные и голубые линии, идущие вниз от призмы Глана-Томпсона), отклоняется призмой PS, которая направляет его по расходящимся путям в зависимости от того, из какой щели (A или B) он пришёл.
Где-то после разделения пути, холостые фотоны попадают в светоделители BSa, BSb и BSc, каждый из которых имеет 50 % -ную вероятность пропуска холостого фотона и 50 % -ную вероятность его отражения. Ma и Mb являются зеркалами.
Светоделители и зеркала направляют холостые фотоны к детекторам, обозначенным D1, D2, D3 и D4. Обратите внимание, что:
Если на детекторе D3 регистрируется холостой фотон, он может поступить только из щели B. Если на детекторе D4 регистрируется холостой фотон, он может поступить только из щели A. Если на детекторе D1 или D2 обнаружен холостой фотон, он мог поступить из щели A или B. Длина оптического пути, измеренная от щели до D1, D2, D3 и D4, на 2,5 м длиннее оптического пути от щели до D0. Это означает, что любая информация от холостого фотона получена примерно на 8нс позже, чем от запутанного с ним сигнального фотона.