Квантова гумка з відкладеним вибором — експеримент, вперше проведений Юн-Хо Кімом, Р. Ю, С. П. Куліком, Ю. Х. Ши та і про який було повідомлено на початку 1998 року, є варіантом експерименту з квантовою гумкою, який включає концепції, розглянуті в Джона Арчибальда Вілера. Експеримент був розроблений, щоб дослідити деякі наслідки добре відомого експерименту з подвійною щілиною у квантовій механіці, а також наслідки квантової заплутаності.
Експеримент квантової гумки з відкладеним вибором досліджує наступний парадокс. Якщо фотон проявляє себе так, ніби він пройшов єдиним шляхом до детектора, тоді «здоровий глузд» (який Вілер та інші заперечують) каже, що він повинен був увійти в пристрій з подвійною щілиною як частинка. Якщо фотон поводиться так, наче він пройшов двома нерозрізненими шляхами, то він повинен увійти в пристрій з подвійною щілиною як хвиля. Відповідно, якщо експериментальне обладнання замінено, поки фотон знаходиться в польоті, фотону, ймовірно, доведеться переглянути своє попереднє «зобов'язання» щодо того, бути хвилею чи частинкою. Вілер зазначив, що коли ці припущення застосовуються до пристрою міжзоряних розмірів, рішення, прийняте на Землі в останню хвилину про те, як спостерігати за фотоном, може змінити ситуацію, яка склалася мільйони або навіть мільярди років тому.
Хоча здається, що експерименти з відкладеним вибором дозволяють вимірюванням, зробленим у сьогоденні, змінити події, що відбулися в минулому, цей висновок вимагає припущення нестандартного погляду на квантову механіку. Якщо фотон у польоті натомість як такий, що знаходиться в так званій «суперпозиції станів» — тобто якщо йому дозволена можливість проявитися як частинка чи хвиля, але під час польоту він не є повністю ні тим, ні іншим — тоді парадокс причинно-наслідкового зв'язку відсутній. Це поняття суперпозиції відображає стандартну інтерпретацію квантової механіки This experiment uses Bell inequalities to replace the delayed choice devices, but it achieves the same experimental purpose in an elegant and convincing way..
Вступ У базовому експерименті з подвійною щілиною промінь світла (зазвичай від лазера) спрямовується перпендикулярно до стіни, в якій прорізано два отвори у вигляді паралельних щілин. Якщо з іншого боку стіни з подвійною щілиною (достатньо далеко, щоб світло з обох щілин перекривалося) розташувати екран для спостереження (це може бути що завгодно, від аркуша білого паперу до ПЗЗ-матриці), буде спостерігатися візерунок світлих і темних смуг, який називається інтерференційним. Встановлено, що інші об'єкти атомного масштабу, такі як електрони, демонструють таку ж поведінку, коли їх спрямовують у бік подвійної щілини. Якщо достатньо зменшити яскравість джерела, можна виявити окремі частинки, які утворюють інтерференційну картину. Поява інтерференційної картини свідчить про те, що кожна частинка, яка проходить через щілини, інтерферує сама з собою, і тому в певному сенсі частинки проходять через обидві щілини одночасно. Це ідея суперечить нашому повсякденному досвіду поведінки дискретних об'єктів.
Добре відомий уявний експеримент, який відіграв важливу роль в історії квантової механіки (наприклад, див. обговорення версії цього експерименту Ейнштейна), продемонстрував, що якщо детектори частинок розташовані в щілинах, показуючи, через яку щілину проходить фотон, інтерференційна картина зникне. Цей експеримент із визначенням шляху ілюструє принцип доповнюваності, згідно з яким фотони можуть поводитися або як частинки, або як хвилі, але не можуть одночасно спостерігатися як частинки та хвилі. Проте технічно можлива реалізація цього експерименту не була запропонована до 1970-х років.
Таким чином, інформація про шлях фотона та видимість інтерференційних смуг є взаємодоповнювальними величинами, тобто можна спостерігати інформацію про шлях фотона або інтерференційні смуги, але не можна спостерігати обидва одночасно. В експерименті з подвійною щілиною загальноприйнята думка полягала в тому, що спостереження за траєкторією частинок неминуче призведе до змін, достатніх для того, щоб знищити інтерференційну картину в результаті принципу невизначеності Гейзенберга.
Однак у 1982 році Скаллі та Дрюль знайшли лазівку в цій інтерпретації. Вони запропонували «квантову гумку» для отримання інформації про шлях частинок без їх розсіювання, але вводячи до них неконтрольовані фазові фактори (шляхом спонтанного параметричного розсіяння або СПР). Замість того щоб намагатися спостерігати, який фотон входить у кожну щілину (таким чином впливаючи на фотони), вони запропонували «позначити» їх інформацією, яка принаймні в принципі дозволила б розрізнити фотони після проходження крізь щілини. Якщо невизначеності немає, інтерференційна картина зникає, оскільки фазу неможливо виміряти, коли фотони позначені таким чином. Однак фазу можна виміряти, якщо інформацію про те, який шлях обрано, додатково змінювати після того, як позначені фотони пройшли через подвійні щілини, щоб сховати маркування обраного шляху. І інтерференційна картина знову з'являється, коли виділяється відповідно до значень фази. З 1982 року численні експерименти продемонстрували достовірність так званої квантової «гумки».
Простий експеримент з квантовою гумкою Просту версію квантової гумки можна описати так: замість того, щоб розділити один фотон або його хвилю ймовірності між двома щілинами, фотон проходить скрізь дільник променя. Якщо вважати, що потік фотонів випадковим чином спрямовується таким розділювачем променя на два шляхи, які не взаємодіють один з одним, то може здаватися, що жоден фотон не може інтерферувати з будь-яким іншим фотоном або з самим собою.
Однак, якщо швидкість утворення фотонів зменшується так, що в апарат потрапляє лише один фотон в будь-який момент часу, стає неможливим зрозуміти, що фотон рухається лише одним шляхом, оскільки коли шляхи перенаправляються так, щоб вони збігалися на звичайному детекторі або детекторах, з'являються явища інтерференції. Це схоже на уявлення про один фотон у двощілинному апараті: хоча це один фотон, він все одно якимось чином взаємодіє з обома щілинами.
На двох діаграмах на рис. 1 фотони випромінюються по одному лазером, що позначено жовтою зіркою. Вони проходять через 50 % дільник променя (зелений блок), який відбиває або пропускає 1/2 фотонів. Відбиті або пропущені фотони рухаються двома можливими шляхами, зображеними червоними або синіми лініями.
При розгляді верхньої діаграми може скластися враження, що траєкторії фотонів відомі: якщо фотон (після проходу дільника і відбиття дзеркалом) рухається вгору, здається, ніби він мав пройти синім шляхом, а якщо він рухається вбік, то здається, ніби він мав пройти червоним шляхом. Однак важливо мати на увазі, що фотон знаходиться в суперпозиції шляхів, поки його не буде виявлено. Наведене вище припущення — що фотон «мав пройти визначеним шляхом» — є формою «помилки поділу».
На нижній діаграмі вгорі праворуч представлено другий дільник променя. Він рекомбінує промені, що відповідають червоному та синьому шляхам. Звичайний спосіб мислення підказує, що завдяки впровадженню другого дільника променя, інформацію про шлях було «стерто». Однак ми повинні бути обережними, тому що не можна вважати, що фотон «справді» пройшов по тому чи іншому шляху. Рекомбінація променів призводить до явища інтерференції на екранах виявлення, розташованих безпосередньо за кожним вихідним портом. Праворуч, проявляється посилення, вгорі — скасування. Однак важливо мати на увазі, що показані ефекти інтерферометра мають місце лише для одного фотона в чистому стані. Коли ми маємо справу з парою заплутаних фотонів, фотон, який зустрічає інтерферометр, буде в змішаному стані, і інтерференційна картина не буде видима без підрахунку збігів для вибору відповідних підмножин даних.
Відкладений вибір Найпростіші попередники поточних експериментів з квантовою гумкою, такі як «проста квантова гумка», описаний вище, мають прямі класичні хвильові пояснення. Дійсно, можна стверджувати, що в цьому експерименті немає нічого безпосередньо пов'язаного з квантами. Тим не менш, Джордан стверджував на основі принципу відповідності, що, незважаючи на існування класичних пояснень, експерименти з інтерференцією першого порядку, такі як наведені вище, можна інтерпретувати як справжню квантову гумку.
Ці попередні експерименти використовують інтерференцію з одним фотоном. Однак версії квантової гумки, що використовують заплутані фотони, за своєю суттю є некласичними. З цієї причини, для того, щоб уникнути будь-якої можливої двозначності щодо квантової чи класичної інтерпретації, більшість експериментаторів вирішили використовувати некласичні джерела світла із заплутаними фотонами, щоб продемонструвати ефект квантової гумки без класичного аналога.
Крім того, використання заплутаних фотонів дозволяє проєктувати та створювати версії квантової гумки, які неможливо створити за допомогою однофотонної інтерференції, наприклад, квантова гумка з відкладеним вибором, яка є темою цієї статті.
Експеримент Кіма та ін. (1999)
Експериментальна установка, детально описана Кімом та іншими, продемонстрована на рис. 2. Аргоновий лазер генерує індивідуальні фотони з довжиною хвилі 351.1 нм, які проходять через двощілинний апарат (вертикальна чорна лінія у верхньому лівому куті діаграми).
Окремий фотон проходить через одну з двох щілин, або через обидві щілини. На рисунку шляхи фотонів позначено кольором у вигляді червоних або світло-блакитних ліній, що вказує, через яку щілину пройшов фотон (червоний колір позначає щілину A, світло-блакитний — щілину Б).
Поки що експеримент схожий на звичайний експеримент із двома щілинами. Однак після щілин використовується спонтанне параметричне розсіяння для підготовки заплутаного двофотонного стану. Це робиться за допомогою нелінійного оптичного кристала БББ (), який перетворює фотон (з будь-якої щілини) на два ідентичних ортогонально поляризованих сплутаних фотона з частотою 1/2 частоти вихідного фотона. Шляхи цих ортогонально поляризованих фотонів розводяться завдяки .
Один із цих 702.2 нм фотонів, які називаються «сигнальними» фотонами (зверніть увагу на червону та світло-блакитну лінії, що йдуть вгору від призми Глана — Томпсона), продовжують рух до цільового детектора під назвою D0. Під час експерименту детектор D0 сканується вздовж осі x, його рухи контролюються кроковим двигуном. Графік кількості «сигнальних» фотонів, виявлених D0 вздовж осі x, можна перевірити, щоб виявити, чи утворює кумулятивний сигнал інтерференційну картину.
Інший заплутаний фотон, який називають «неробочим» фотоном (зверніть увагу на червону та світло-блакитну лінії, що йдуть вниз від призми Глана — Томпсона), відхиляється призмою PS, яка спрямовує його розбіжними шляхами залежно від того, чи він надійшов з щілини А або з щілини Б.
Дещо за межами поділу шляху неробочі фотони зустрічаються з дільниками променя BSa, BSb і BSc, кожен з яких має 50 % шанс пропустити неробочий фотон і 50 % шанс спричинити його відбиття. Ma і Mb — дзеркала.
Дільники променя та дзеркала спрямовують «неробочі» фотони до детекторів, позначених D1, D2, D3 та D4. Зауважте, що:
Якщо неробочий фотон зареєстровано на детекторі D3, він міг вийти лише з щілини Б. Якщо неробочий фотон зареєстровано на детекторі D4, він міг вийти лише з щілини A. Якщо неробочий фотон виявлено на детекторі D1 або D2, він міг вийти з щілини A або Б. Довжина оптичного шляху, виміряна від щілини до D1, D2, D3 і D4, на 2,5 m більше довжини оптичного шляху від щілини до D0. Це означає, що будь-яка інформація, яку можна отримати від неробочого фотона, має бути отримана приблизно на 8 нс пізніше у порівнянні з його заплутаним сигнальним фотоном.