Delayed Choice Quantum Eraser este un experiment de interferență lansat de Yun-Ho Kim, R. Yuu, S. P. Kulik, Y. H. Shi și Marlan O. Scully[1] și publicat la începutul anului 1999, dezvoltând ideea experimentului de ștergere cuantică , încorporând conceptele explorate în experimentul de alegere întârziată al lui Wheeler. Experimentul a fost conceput pentru a investiga consecințele specifice ale binecunoscutului experiment cu dublă fante în mecanica cuantică , precum și consecințele întanglementării cuantice .
Radiera cuantică cu alegere întârziată explorează următorul paradox: dacă un foton se comportă ca și cum ar fi trecut pe una dintre căile posibile către detector, atunci „bunul simț” (pe care Wheeler și alții îl pun sub semnul întrebării) spune că trebuie să fi trecut un dublu- dispozitiv de fantă sub formă de particule. Dacă, pe de altă parte, fotonul se comportă ca și cum ar fi trecut prin două căi care nu se pot distinge, atunci trebuie să fi trecut prin dispozitivul cu dublă fante ca o undă. Dacă, pe de altă parte, configurația experimentală este schimbată în momentul în care fotonul este pe drum, atunci fotonul trebuie să-și schimbe „decizia” inițială dacă ar trebui să fie o undă sau o particulă. Wheeler a subliniat că, dacă aceste ipoteze ar fi aplicate unui dispozitiv de dimensiuni cosmice, atunci o decizie de ultimă oră de a observa un foton pe Pământ ar putea schimba o decizie anterioară care a fost luată cu milioane sau chiar miliarde de ani în urmă.
Situația în care măsurătorile efectuate pe fotoni în prezent pot schimba evenimentele care au avut deja loc necesită o idee nestandardă a mecanicii cuantice. Dacă un foton zburător este interpretat ca fiind în așa-numita „stare de suprapunere” , adică dacă este înțeles ca ceva care se poate manifesta ca o particulă sau o undă, atunci în zbor nu se află în niciunul dintre cele două state și, prin urmare, nu există paradox al timpului. Aceasta este reprezentarea standard, care este confirmată de experimente recente [2] [3] .
În experimentul de bază cu două fante, un fascicul de lumină (de obicei de la un laser) este îndreptat perpendicular pe un perete care are două fante paralele. Dacă un ecran de proiecție (de la o foaie de hârtie albă la un CCD ) este plasat pe cealaltă parte a peretelui cu dublu fante, se va observa o imagine cu dungi deschise și întunecate, care se numește model de interferență . S-a descoperit că alte obiecte la scară atomică, cum ar fi electronii , prezintă același comportament atunci când sunt trase printr-o fantă dublă [4] . Este posibil să se reducă luminozitatea sursei în așa fel încât să devină posibilă distingerea între particulele individuale care formează un model de interferență [5] . Apariția unui model de interferență indică faptul că fiecare particulă care trece prin fante interferează cu ea însăși și, prin urmare, într-un anumit sens, particula trece simultan prin ambele fante [6] :110 . O astfel de idee contrazice experiența noastră de zi cu zi cu obiecte discrete.
Un experiment de gândire binecunoscut , care a jucat un rol critic în istoria mecanicii cuantice (de exemplu, a se vedea discuția despre versiunea lui Einstein a acestui experiment ), a demonstrat că dacă detectoarele de particule sunt plasate pe fante pentru a afla care fantă trece un foton, apoi modelul de interferență dispare [ 4] . Acest experiment de descoperire a căii ilustrează principiul complementarității, conform căruia fotonii se pot comporta fie ca particule, fie ca unde, dar nu ambii în același timp [7] [8] [9] . Cu toate acestea, modalități fezabile din punct de vedere tehnic de implementare a acestui experiment nu au existat până în anii 1970 [10] .
Prin urmare, informațiile despre cale și vizibilitatea marginilor sunt cantități suplimentare. În experimentul cu dublă fantă, înțelepciunea convențională a fost că observarea particulelor le-a perturbat în mod inevitabil atât de mult încât modelul de interferență s-a prăbușit ca urmare a principiului de incertitudine al lui Heisenberg .
Cu toate acestea, în 1982, Scully și Druhl au găsit o lacună în această interpretare [11] . Ei au propus o „ștergere cuantică” pentru a obține informații despre cale fără a împrăștia particule sau, cu alte cuvinte, prin introducerea factorilor de fază necontrolați în ele.. În loc să încerce să observe ce foton intră în ce fantă (interferând cu ei în acest fel), ei au propus „etichetarea” lor cu informații care să permită distingerea fotonilor după trecerea prin fante. Și modelul de interferență chiar dispare atunci când fotonii sunt etichetați în acest fel. Cu toate acestea, modelul de interferență reapare dacă sunt efectuate manipulări suplimentare ale informațiilor de cale pentru a ascunde marcarea căii după ce fotonii marcați au trecut prin fanta dublă. Din 1982, numeroase experimente au demonstrat dovezi pentru așa-numita „ștermă” cuantică [12] [13] [14] .
O versiune simplă a unei radiere cuantice poate fi descrisă după cum urmează: în loc să divizeze un singur foton sau unda de probabilitate a acestuia între două fante, fotonul este trecut printr-un separator de fascicul .. Din punctul de vedere al fluxului de fotoni, fiecare foton este direcționat aleatoriu de-a lungul uneia dintre cele două căi de un astfel de divizor de fascicul și astfel fotonii sunt protejați de interacțiunea între ei și s-ar părea că niciun foton nu poate interfera cu el însuși sau cu alții.
Cu toate acestea, dacă frecvența de emisie a fotonului scade la un nivel în care doar un foton intră în dispozitiv la un moment dat, devine neclar modul în care fotonul se mișcă de-a lungul uneia dintre căi, deoarece atunci când căile conduc la un detector sau detectoare comune, atunci apare interferența. Acest lucru este similar cu comportamentul unui singur foton într-un dispozitiv cu dublă fante: chiar dacă este un singur foton, totuși interacționează cumva cu ambele fante.
Pe cele două diagrame din fig. 1, fotonii sunt emiși de la laser, indicați de steaua galbenă, unul câte unul. Ele trec printr-un separator de fascicul de 50% (bloc verde), care reflectă jumătate din fotoni și transmite cealaltă jumătate fără reflexie. Fotonii reflectați și transmisi urmează două căi diferite, indicate prin linii roșii și albastre.
În diagrama de sus, se pare că știm traiectoriile fotonilor: dacă fotonul iese din dispozitiv în sus, se pare că a luat calea albastră, iar dacă iese lateral, se pare că a luat calea roșie. Cu toate acestea, este important să ne amintim că înainte de detectare, un foton se află într-o suprapunere de căi. Sugestia de mai sus că trebuie să fi luat una dintre căi este „eșecul divizat”.
În diagrama de jos, un al doilea separator de fascicul a fost adăugat în dreapta sus. Combină razele corespunzătoare căilor roșii și albastre. Odată cu introducerea celui de-al doilea divizor de fascicul, este convenabil să ne imaginăm că informația despre cale a fost „ștersă” - totuși, trebuie să fim atenți, deoarece nu se poate presupune că fotonul a mers „cu adevărat” pe o cale sau alta. Recombinarea fasciculelor are ca rezultat interferență pe ecranele detectorului situate chiar în spatele fiecărei ieșiri. În partea dreaptă există o creștere, iar în partea superioară - o slăbire. Cu toate acestea, este important să ne amintim că efectele interferometrului prezentate se aplică doar unui singur foton în stare pură. Când aveți de-a face cu o pereche de fotoni încâlciți, fotonul întâlnit de interferometru va fi într-o stare mixtă și, astfel, nu va exista un model de interferență vizibil fără numărul de lovituri necesare pentru a selecta subseturile de date adecvate [15] .
Precursorii elementari ai experimentelor moderne cu radiere cuantice, cum ar fi „erara cuantică simplă” descrisă mai sus, au explicații simple clasice ale undelor. Într-adevăr, se poate argumenta că nu există nimic deosebit de cuantic în acest experiment [16] . Cu toate acestea, Jordan a argumentat pe baza principiului corespondenței că, în ciuda existenței explicațiilor clasice, experimentele de interferență de ordinul întâi precum cele prezentate mai sus pot fi interpretate ca adevărate ștersători cuantice [17] .
Acești predecesori folosesc interferența cu un singur foton. Cu toate acestea, versiunile radierei cuantice care folosesc fotoni încâlciți sunt în mod inerent non-clasice. Din această cauză, pentru a evita orice posibilă ambiguitate în ceea ce privește interpretările cuantice și clasice, majoritatea experimentatorilor au ales să folosească surse de lumină non-clasice cu fotoni încâlciți pentru a demonstra radiere cuantice fără o contrapartidă clasică.
În plus, utilizarea fotonilor încurcați permite proiectarea și implementarea versiunilor de radier cuantic care nu pot fi realizate cu interferență cu un singur foton, cum ar fi ștergerea cuantică cu alegere întârziată , care face obiectul acestui articol.
Figura 2 prezintă configurația experimentală detaliată de Kim și coautorii săi Yuu, Kulik, Shi, Marlan și Scully. [1] . Laserul cu argon generează fotoni individuali de 351,1 nm care trec printr-o configurație cu dublă fantă (linie neagră verticală în colțul din stânga sus al diagramei).
Un foton individual trece printr-una (sau ambele) dintre cele două fante. În ilustrație, traseele fotonilor sunt codificate în culori ca linii roșii sau albastre deschis pentru a indica prin ce fantă a trecut fotonul (roșul indică fanta A, albastru deschis indică fanta B).
Până acum, experimentul este similar cu experimentul obișnuit cu dublă fante. Cu toate acestea, după fante, conversia în jos parametrică spontană (SPDC) este utilizată pentru a pregăti o stare de doi fotoni încurcați. Acest lucru se face folosind un cristal optic BBO neliniar (betaborat de bariu) care convertește un foton (din orice fantă) în doi fotoni încâlciți identici, polarizați ortogonal, la jumătate din frecvența fotonului original. Căile pe care le parcurg acești fotoni polarizați ortogonal sunt determinate de prisma Glan-Thompson.
Unul dintre acești fotoni de 702,2 nm, numit fotonul „semnal” (vezi liniile roșii și albastre deschise care urcă de la prisma Glan-Thompson), continuă să călătorească către detectorul țintă numit D 0 . În timpul experimentului, detectorul D 0 este scanat de-a lungul axei sale x , mișcarea sa este controlată de un motor pas cu pas. Puteți examina graficul numărului de fotoni „semnal” detectați de detectorul D 0 față de x pentru a determina dacă semnalul total formează un model de interferență.
Un alt foton încurcat, numit fotonul „inactiv” (vezi liniile roșii și albastre care coboară de la prisma Glan-Thompson), este deviat de prisma PS, care îl trimite pe căi divergente, în funcție de fanta (A sau B) pe care a venit . de la ..
Undeva după divizarea traseului, fotonii inactiv intră în divizoarele de fascicul BS a , BS b și BS c , fiecare dintre acestea având o probabilitate de 50% de a trece un foton inactiv și o probabilitate de 50% de reflectare a acestuia. Ma și M b sunt oglinzi .
Divizoarele de fascicul și oglinzile direcționează fotonii liberi către detectorii desemnați D 1 , D 2 , D 3 și D 4 . Rețineți că:
Detectarea unui loc inactiv cu D 3 sau D 4 oferă o „informație de cale” întârziată care indică dacă fanta fotonului de semnal A sau B încurcată cu acesta a trecut. Pe de altă parte, detectarea unui loc inactiv cu D 1 sau D 2 oferă o indicație întârziată, că astfel de informații nu sunt disponibile pentru semnalul fotonic încurcat. Situația în care informațiile despre cale era potențial disponibilă anterior de la un foton inactiv se numește „ștergere întârziată” a unor astfel de informații.
Folosind un contor de coincidențe , experimentatorii au reușit să izoleze semnalul încurcat de fotozgomot prin înregistrarea numai a evenimentelor în care au fost detectați atât semnalul, cât și fotonii inactivi (după compensarea unei întârzieri de 8 ns). Vezi fig. 3 și 4.
Acest rezultat este similar cu experimentul cu două fante, deoarece interferența este observată atunci când nu se știe din ce fantă provine fotonul și nu este observată atunci când este cunoscută calea.
Ceea ce face acest experiment oarecum surprinzător este faptul că, spre deosebire de experimentul clasic cu dublă fantă, alegerea de a reține sau șterge informațiile despre calea inactivă a fost făcută doar la 8 ns după ce poziția fotonului semnal fusese deja fixată la ajutorul D 0 .
Detectarea fotonilor semnal în D 0 nu oferă în mod direct nicio informație despre cale. Detectarea fotonilor inactivi în D 3 sau D 4 care furnizează informații de cale înseamnă că nu poate fi observat niciun model de interferență în subsetul detectat în comun de fotoni semnal din D 0 . În mod similar, detectarea fotonilor inactivi în D1 sau D2 care nu furnizează nicio informație de cale înseamnă că modelele de interferență pot fi observate în subsetul co-detectat de fotoni semnal din D0 .
Cu alte cuvinte, chiar dacă fotonul inactiv nu este observat până când, din cauza căii optice mai scurte, fotonul său semnal încurcat ajunge la D 0 după un timp , interferența în D 0 este determinată de dacă fotonul inactiv încurcat cu fotonul semnal este detectat în detector, care stochează informația de cale ( D3 sau D4 ) , sau în detector, care șterge informațiile de cale ( D1 sau D2 ) .
Unii interpretează acest rezultat ca însemnând că alegerea întârziată de a observa sau de a nu observa calea fotonului inactiv schimbă rezultatul unui eveniment din trecut [18] [19] . Rețineți, în special, că modelul de interferență poate fi dedus din observație numai după ce au fost detectate ralanti (adică, în D 1 sau D 2 ).
Imaginea însumată a tuturor fotonilor de semnal din D 0 ale căror perechi incurcate au trecut la mai mulți detectori diferiți nu va arăta niciodată interferență, indiferent de ce se întâmplă cu relanții [20] . Puteți înțelege cum funcționează acest lucru analizând diagramele lui R 01 , R 02 , R 03 și R 04 și observând că vârfurile lui R 01 coincid cu jgheaburile lui R 02 (adică, există o schimbare de fază π între două franjuri de interferență). R 03 arată un maxim unic, la fel ca R 04 , care este identic experimental cu R 03 . Fotonii încâlciți filtrați de un contor de coincidențe sunt modelați în Fig. 5 pentru o reprezentare vizuală a dovezilor disponibile din experiment. La D 0 suma tuturor evenimentelor corelate nu va interfera. Dacă toți fotonii care ajung la D 0 ar fi reprezentați pe un singur grafic, ar fi vizibilă doar banda centrală strălucitoare.
Experimente de alegere întârziatăridică întrebări despre timp și secvențe temporale și, prin urmare, pune sub semnul întrebării ideile noastre obișnuite despre timp și cauzalitate [nota 1] . Dacă evenimentele din D 1 , D 2 , D 3 , D 4 determină rezultatele din D 0 , atunci efectul precede cauza. Dacă fasciculele de lumină inactivă ar fi alungite semnificativ, astfel încât să treacă un an înainte ca un foton să apară în D 1 , D 2 , D 3 sau D 4 , atunci când un foton a apărut într-unul dintre acești detectoare, acest lucru ar determina apariția unui foton de semnal. într-un anumit regim cu un an mai devreme. Cu alte cuvinte, cunoașterea soartei viitoare a fotonului inactiv va determina activitatea fotonului semnal în propriul său prezent. Niciuna dintre aceste idei nu se potrivește așteptărilor umane normale de cauzalitate. Cu toate acestea, cunoașterea viitorului, care ar putea fi o variabilă latentă, a fost infirmată în experimente [21] .
Experimentele care implică încurcarea arată fenomene care pot determina unii oameni să-și pună la îndoială noțiunile obișnuite de secvență cauzală. Într-o radieră cuantică cu alegere întârziată, un model de interferență se va forma la D 0 chiar dacă datele de cale referitoare la fotonii care o formează sunt șterse după ce fotonii semnalului lovesc detectorul primar. dar nu numai această caracteristică a experimentului provoacă nedumerire; D 0 poate fi în principiu pe o parte a universului, iar ceilalți patru detectoare pot fi „de cealaltă parte a universului” unul față de celălalt [22] :197f .
Cu toate acestea, modelul de interferență poate fi observat retrospectiv numai după ce fotonii inactivi au fost detectați și experimentatorul a primit informații despre aceștia și atunci când experimentatorul se uită la anumite subseturi de fotoni de semnal, care sunt comparați cu perechile lor inactive care au trecut detectorii specifici . 22] : 197 .
Mai mult, reacția aparentă dispare dacă efectele observațiilor privind starea semnalului încurcat și a fotonilor inactivi sunt considerate în ordinea lor istorică. În special, în cazul în care detectarea/eliminarea informațiilor despre orice cale are loc înainte de detectarea în D 0 , explicația standard simplificată este: „Detectorul D i în care este detectat fotonul inactiv determină distribuția probabilității în D 0 pentru semnal. foton". În mod similar, în cazul în care D 0 precede detectarea fotonului inactiv, următoarea descriere este exact aceeași: „Poziția în D 0 a fotonului semnal detectat determină probabilitățile ca fotonul inactiv să lovească D 1 , D 2 , D 3 sau D 4 ". Acestea sunt pur și simplu modalități echivalente de a formula corelațiile fotonilor încâlciți observați într-un mod cauzal intuitiv, astfel încât oricare dintre aceștia poate fi ales (în special, cel în care cauza precede efectul și nu există nici un efect retrograd în explicație).
Modelul general al fotonilor de semnal la detectorul primar nu dă niciodată interferență (vezi Fig. 5), așa că nu este posibil să se determine ce se va întâmpla cu fotonii inactivi prin observarea doar a fotonilor de semnal . O radieră cuantică cu alegere întârziată nu transmite informații prin retro-cauzare, deoarece sortarea datelor suprapuse în fotonii de semnal în patru fluxuri care reflectă stările fotonilor inactivi pe patru detectoare diferiți necesită un semnal diferit, care trebuie să treacă printr-un proces care nu poate merge mai repede decât viteza luminii [nota 2] [nota 3] .
De fapt, teorema demonstrată de Philipp Eberhard arată că, dacă ecuațiile acceptate ale teoriei cuantice relativiste a câmpului sunt corecte , ar trebui să fie imposibil să se rupă experimental cauzalitatea folosind efecte cuantice [23] (vezi referința [24] pentru un tratament care subliniază rolul probabilități condiționate.) .
Pe lângă faptul că ne provoacă noțiunile de bun simț de secvențiere temporală în cauzalitate, acest experiment este unul care atacă serios noțiunile noastre de localitate , ideea că lucrurile nu pot interacționa decât dacă sunt în contact, fie că atunci contact fizic direct, fie cel puțin prin interacțiune prin magnetice sau alte fenomene precum câmpurile [22] :199 .
În ciuda dovezilor lui Eberhard, unii fizicieni au sugerat că aceste experimente ar putea fi modificate în așa fel încât să se potrivească cu experimentele anterioare, dar ar putea permite încălcări ale cauzalității experimentale [25] [26] [27] .
Au fost făcute sau propuse multe îmbunătățiri și completări la experimentul de către Kim și colab. radieră cuantică cu alegere întârziată. Iată doar o mică selecție de rapoarte și propuneri:
Scarcelli și colab. (2007) au raportat un experiment cu radiere cuantică cu alegere întârziată bazat pe o schemă de imagistică cu doi fotoni. După detectarea unui foton care a trecut prin fanta dublă, a fost făcută o alegere aleatorie întârziată pentru a șterge sau a lăsa informațiile despre cale prin măsurarea gemenului său îndepărtat încâlcit; apoi, comportamentul corpuscular și ondulatoriu al fotonului a fost înregistrat simultan de un singur set de detectoare articulare [28] .
Peruzzo et al. (2012) au raportat un experiment cuantic cu alegere întârziată bazat pe un divizor de fascicul controlat cuantic care a investigat simultan comportamentul particulelor și undelor. Natura cuantică a comportamentului fotonului a fost testată folosind inegalitatea lui Bell, care a înlocuit alegerea întârziată a observatorului [29] .
Rezai et al. (2018) au combinat interferența Hong-Wu-Mandel cu o radieră cuantică cu alegere întârziată. Ele impun fotoni incompatibili pe divizorul fasciculului, astfel încât este imposibil de observat modelul de interferență. Când porturile de ieșire sunt monitorizate într-un mod integrat (adică toate clicurile sunt numărate), nu există interferențe. Numai atunci când fotonii de ieșire sunt supuși unei analize de polarizare și este ales subsetul corect, interferența cuantică are loc sub forma declinului Hong-Wu-Mandel [30] .
Dezvoltarea interferometrelor electronice Mach-Zehnder (MZI) cu stare solidă a condus la propuneri de utilizare a acestora în versiuni electronice ale experimentelor cu radiere cuantice. Acest lucru ar fi realizat prin cuplarea Coulomb cu un al doilea electron MZI care acționează ca detector [31] .
Perechile încurcate de kaoni neutri au fost, de asemenea, investigate și s-au dovedit a fi potrivite pentru studii care utilizează metode de marcare cuantică și ștergere cuantică [32] .
A fost propusă o radieră cuantică folosind o configurație Stern-Gerlach modificată . În această propunere, nu este nevoie de numărarea coincidențelor, iar ștergerea cuantică se realizează prin aplicarea unui câmp magnetic Stern-Gerlach suplimentar [33] .