Experimentul „Ștergerea întârziată a alegerii cuantice”, efectuat prima dată de către Yoon-Ho Kim, Yu R., Kulik SP, YH Shih, și Marlan O. Scully, și raportat la începutul anului 1999, este o elaborare a experimentului ștergerii sau radierii cuantice implicând conceptele avute în vedere în experimentul lui Wheeler „al alegerii întârziate”.
Acesta a fost conceput pentru a investiga consecințele specifice ale experimentului bine-cunoscut al fantei duble din mecanica cuantică, precum și consecințele inter-corelării sau cuplării cuantice .
Introducere
În experimentul de bază al fantei duble, un fascicul foarte îngust de lumină coerentă de la o sursă care este destul de departe pentru a avea fronturi de undă aproape perfect paralele este direcționat perpendicular spre un perete perforat de două orificii paralele - fante. Lățimile fantelor și distanța care le separă sunt aproximativ de același ordin de mărime ca și lungimea de undă a luminii incidente.
În cazul în care un ecran de detectare (orice, de la o foaie de hârtie albă la un aparat de fotografiat digital) este pus pe partea cealaltă a peretelui cu fantă dublă,va fi observat un model de franje de benzi luminoase și benzi întunecate, numit un model de interferență.
Încă de timpuriu în istoria acestui experiment, oamenii de știință au descoperit că, prin scăderea suficient de mult a luminozității sursei de lumină , particulele individuale de lumină care formează model de interferență sunt detectabile. Ei au încercat să descopere prin care fantă a călătorit o unitate dată de lumină – particula elementară de lumină (foton).
În mod neașteptat, rezultatele descoperite au fost că, dacă se face ceva pentru a permite determinarea căii pe care fotonul o alege, modelul de interferență dispare: nu există nici un model de interferență.
Fiecare foton lovește pur și simplu detectorul trecând prin una dintre cele două fante. Fiecare fantă produce o mulțime de puncte de impact simple și unice, nu există nici un model de interferență. Este împotriva intuiției faptul că se obțin rezultate diferite depinzând dacă fotonul este sau nu constrâns să urmeze o cale sau alta, după ce trece prin fantă, dar înainte de a atinge detectorul.
Două teorii contradictorii ale naturii luminii au fost susținute îndelung. Descoperirea că lumina interferează cu ea însăși părea să dovedească faptul că lumina nu ar putea fi o particulă. Se părea că trebuia să fie o undă pentru a explica interferența văzută în experimentul dublei fante (prima dată conceput de Thomas Young, în experimentul lui clasic de interferență din secolul al XVIII).
La începutul secolul al XX-lea, experimentele cu efectul fotoelectric (fenomen care face posibilă măsurarea luminii în camerele foto sau video) a adus o dovadă la fel de puternică ce susține ideea că lumina are un comportament de particulă. Nimic nu este observabil între momentul la care un foton este emis (pe care experimentatorii cel puțin îl pot localiza în timp prin determinarea timpului la care energia a fost furnizată emițătorului de electroni) și momentul în care apare că are loc transferul de energie la un ecran detector (cum ar fi un senzor CCD sau emulsia unui aparat cu film).
Cu toate acestea, experimentatorii au încercat să obțină informații indirecte despre calea pe care un foton se deplasează cu "adevărat", atunci când trece prin dispozitivul cu dublă fantă. În acest proces ei au aflat că prin controlul căii luate de unul dintre fotonii dintr-o pereche de fotoni inter-corelați cuantic se controlează în mod inevitabil calea luată de fotonul-pereche cuplat (geamăn). În plus, în cazul în care fotonul-partener (pereche) este trimis printr-un dispozitiv cu dublă-fantă și, astfel, interferează cu sine, atunci în mod foarte surprinzător, primul fotonul se va comporta, de asemenea, într-o manieră coerentă ca și cum ar fi interferat cu sine, chiar dacă nu există nici un dispozitiv cu dublă-fantă în cazul său.
Într-un experiment de ștergere cuantică, se face un aranjament pentru a detecta prin care dintre cele două fante trece fotonul, dar, de asemenea, se realizează experimentul în așa fel încât această informație poate fi "ștearsă", după ce evenimentul a avut loc. În practică, această "ștergere" a informației despre calea urmată înseamnă cel mai adesea înlăturarea constrângerilor care au obligat fotonii să urmeze două căi diferite, separate între ele.
Într-un alt experiment, în loc să se realizeze divizarea unui foton sau a undei de probabilitate între două fante, fotonul este trimis la un separator de fascicul. Dacă se gândește în termenii unui flux de fotoni direcționat în mod aleatoriu de către un astfel de separator de fascicule pentru a merge apoi pe două căi, care nu interacționează, este clar că un foton nu poate interfera apoi cu orice altul sau cu el însuși.
În cazul în care rata de producere a fotonilor este redusă, astfel că doar un singur foton intră în aparat în orice moment, cu toate acestea, nu se poate înțelege fotonul doar ca deplasându-se pe o singură cale pentru că atunci când razele care ies sunt redirecționate astfel încât acestea să ajungă la același detector comun, atunci apar fenomene de interferență.
În cele două diagrame din dreapta, fotonii sunt emiși la un moment dat de sursa simbolizată de steaua galbenă. Fiecare dintre ei trece printr-un separator de fascicule de 50% – o oglindă semitransparentă - marcată cu verde, ce reflectă 1/2 dintre fotoni care apoi se deplasează de-a lungul a două căi posibile, descrise de către liniile roșii sau albastre.
În diagrama de sus, se poate vedea că traiectoriile fotonilor sunt în mod clar cunoscute - în sensul că, dacă un foton apare în partea superioară a aparatului el trebuie să fi venit pe calea care conduce la acel punct (linia albastră ), iar în cazul în care se deplasează către marginea aparatului el trebuie să fi venit prin intermediul celeilalte căi (linia roșie).
În continuare, după cum se arată în diagrama de jos, un al doilea separator de fascicule este introdus în partea dreaptă sus. Astfel se poate direcționa fiecare fascicul pe fiecare dintre cele două căi; prin urmare, rețineți că tot ceea ce pleacă mai departe către ieșirea aparatului poate să fi venit prin intermediul oricăreia dintre căi. În acest sens se înțelege faptul că informațiile despre calea urmată au fost "șterse". (Informațiile despre calea urmată nu sunt distruse ci amestecate și devin indisponibile, astfel că nu se mai pot distinge căile urmate - nt.trad.).
De notat că sunt introduse diferențe totale de fază de-a lungul celor două căi (schimbarea fazelor cu 180 de grade la reflexii și cu 90 de grade la refracții), din cauza diferitelor efecte ale trecerii printr-o placă de sticlă, ale reflectării pe prima suprafața a acesteia, a trecerii prin suprafața din spate a unui separator de fascicule semi-argintat și a reflectării pe partea din spate ( partea interioară) a suprafeței reflectorizante.
Rezultatul este că undele ies câte două atât înspre în sus cât și spre dreapta. Concret, undele care ies spre în sus interferă distructiv, în timp ce undele care ies în dreapta interferă constructiv.
O explicație mai detaliată a schimbărilor de fază implicate aici pot fi găsite în articolul despre interferometrul Mach-Zehnder. De asemenea, experimentul descris mai sus, este relatat în întregime într-o referință.
Dacă al doilea separator de fascicule din diagrama de jos ar putea fi introdus sau scos s-ar putea afirma că un foton trebuie să fi călătorit prin intermediul uneia sau alteia dintre căi în cazul în care a fost detectat la capătul uneia dintre căi sau al alteia. Ar apărea că fotonul "a ales" o cale sau alta numai la separatorul de fascicule (stânga jos), și, prin urmare, ar putea ajunge doar la capătul căii respective.
Asigurarea subiectivă că fotonul a urmat o singură cale este adus în discuție, cu toate acestea, în cazul în care (după ce fotonul se presupune că "decis" care cale va urma) un al doilea separator de fascicule e introdus, ceea ce face apoi imposibil de spus pe care cale fotonul a călătorit.
Ceea ce odată părea a fi o problemă de tip "alb sau negru", acum pare a fi o problemă "gri". Aceasta este amestecul dintre cele două căi separate inițial, care constituie faptul la care ne referim ca fiind "ștergerea".
Aceasta este, de fapt mai mult "o întoarcere la nedeterminare."
Experimentul
Aranjamentul experimental, descris în detaliu în documentul original, este după cum urmează. Mai întâi un singur foton este generat și trece printr-un dispozitiv cu două fante (reprezentat de linia neagră verticală din colțul din stânga sus al diagramei).
Fotonul trece printr-una (sau ambele) dintre cele două fante, ale căror trasee sunt afișate ca linii roșii sau albastru deschis, arătând prin care fantă a venit fotonul (albastru deschis indică fanta A, roșu indică fanta B). Până acum, experimentul este ca un experiment convențional cu două fante.
Cu toate acestea, după ce se trece de fante, cristalul de oxid beta borat de bariu (denumit BBO) determină „o conversie parametrică spontană de coborâre” (CSPD), transformând fiecare foton (de la fiecare fantă) în doi fotoni identici cuplați - sau intercorelați - având 1/2 din frecvența fotonului original (conversie de coborâre a frecvenței la tranziția în jos pe nivelul inițial).
Acești fotoni sunt forțați de către o prismă Glan-Thompson să urmeze două căi divergente.
Unul dintre acești fotoni, denumit în continuare "foton-semnal" (priviți liniile roșii și albastru-deschis mergând în sus de la prisma Glan-Thompson), continuă până la detectorul-țintă numit D0. Pozițiile în care acești fotoni "semnal" detectați de către D0 apar pot fi ulterior examinate pentru a descoperi dacă, la un loc, aceste poziții formează un model de interferență.
Celălalt foton cuplat, denumit în continuare "foton-martor întârziat " (priviți liniile roșii și albastru deschis care merg în jos din prisma Glan-Thompson), este deviat printr-o prismă care-l trimite pe căi divergente, în funcție de faptul dacă a venit de la fanta A sau fanta B.
Modul de generare al perechilor de fotoni cuplați semnal-martor (signal-idler), proprietățile acestora, precum și imaginile anexe pot fi vizionate la adresele web
Spontaneous parametric down-conversion
polarization-entangled photon pairs
NOTA TRADUCĂTORULUI:
Un foton de lumină laser ultravioletă, cu lungimea de undă de cca 700 nm, este trimis prin fante asupra unui cristal optic non-linear de oxid de Beta Borat de Bariu BBO. El excită un electron al unui atom din cristal pe un nivel superior, iar la revenirea în 2 trepte pe nivelul inițial emite doi fotoni care au fiecare jumătate din energia fotonului incident, adică au frecvența la jumătate (se numește conversie de coborâre atât pentru că frecvența coboară la jumătate din valoarea inițială, dar și pentru că procesul are loc la coborârea electronului emițător pe nivelul inițial de energie). Perechile de fotoni astfel generați sunt emiși în mediu sub forma a 2 pânze conice, fiecare dintre pânzele conice conținând fotoni având o anumită polarizare.
Polarizările fotonilor conținuți în pânzele conice sunt perpendiculare între ele. Fotonii emiși exact pe cele 2 direcții formate de intersecțiile pânzelor vor aparține așadar ambelor pânze conice și deci vor avea în mod aleator direcții de polarizare nedeterminate. Ei pot avea fie polarizare orizontală, fie verticală.
Regula este că atunci când un foton din pereche are o polarizare de un anumit fel, cu certitudine celălalt va avea polarizarea perpendiculară pe primul (complementară).
Având polarizări complementare dar nedeterminate și deci neputând fi distinși, fotonii din pereche vor manifesta fenomenul de cuplare cuantică, stările lor fiind inter-corelate. Datorită inter-corelării cuantice instantanee la distanță, eventualele informații aflate despre starea unuia dintre fotonii cuplați vor furniza informații precise despre starea celuilalt foton (prin complementaritate).