Квантовое стирание. Квантовый парадокс зенона

Интерференция света в опыте Юнга

Иллюстрация: Timm Weitkamp (CC BY)

Команда физиков из Австралийского национального университета реализовала мысленный эксперимент Уилера с отложенным выбором, заменив фотоны сверххолодными метастабильными атомами гелия. Новая работа подтвердила классические положения принципа дополнительности Нильса Бора. опубликована в Nature Physics .

В 1978 году Джон Арчибальд Уилер предложил более изощренный вариант классического двущелевого опыта Юнга, доказавшего волновую природу света. По Юнгу пучок света направляется на перегородку с двумя узкими щелями. При этом размер каждой щели примерно соответствует длине волны излучаемого света. Проходя сквозь щели, свет попадает на проекционный экран позади. Если бы фотоны проявляли исключительно корпускулярные свойства, то на экране были бы два ярко освещенных участка позади щелей и темный участок между ними. В то же время, если фотоны проявляют волновые свойства, то каждая щель становится вторичным источником волн. Эти волны интерферируют, и вместо двух освещенных полос, возникает множество светлых и темных зон на проекционном экране. Причем один из локальных максимумов освещенности находится там, где должно быть темное место (в случае, если бы фотон был только частицей).

Казалось бы, волновая природа света экспериментально доказана, однако, математически это значило, что фотон одновременно проходит через обе щели. Тогда физики попытались, посредством измерения, определить - через какую щель в действительности пролетает один фотон. Выяснилось, что в случае наблюдения фотон вновь начал действовать как частица, как если бы «знал», что за ним наблюдают. Факт наблюдения словно разрушает волновую функцию. И наоборот, как только наблюдения нет, фотон вновь начинает интерферировать сам с собой, действуя как волна.

Констатируя экспериментально наблюдаемый корпускулярно-волновой дуализм, Нильс Бор постулировал принцип дополнительности. Он гласит, что если наблюдатель измеряет свойства квантового объекта как частицы, то он ведет себя как частица. Если же измеряются его волновые свойства, то для наблюдателя он ведет себя как волна. Поэтому для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два, казалось бы, противоречащих друг другу представления, которые, в итоге, оказываются взаимно дополняющими, что и отражено в названии принципа.

Чтобы преодолеть это противоречие и проверить эффект наблюдателя Уилер предложил использовать интерферометр Маха – Цандера . Он состоит из четырех зеркал. Первое расщепляет поток света на два пучка, которые затем отражаются от двух непрозрачных зеркал и сводятся вновь вместе в четвертом зеркале. По двум сторонам от него стоят детекторы. Фотоны необходимо выпускать по одному.

Одиночный фотон как бы расщепляется на два в первом зеркале, или, иными словами, проявляет волновые свойства. Затем он отражается от двух идеальных зеркал, вновь интерферирует сам с собой в четвертом полупрозрачном зеркале, и наконец попадает в один из детекторов. Для каждого конкретного фотона срабатывает только один из детекторов, но если повторять опыт много раз, получится некоторое нетривиальное соотношение отсчетов двух детекторов. Это соотношение показывает, что частица, достигнув четвертого зеркала, ведет себя как волна. Если же четвертое зеркало убрать, то соотношение между срабатываниями будет 50:50. Это выглядит так, как будто в момент первого расщепления частица уже «решила», по какому пути она пойдет.

Идея Уилера заключалась в том, чтобы появление в схеме четвертого зеркала решалось посредством генератора случайных чисел уже после того, как фотон вошел в интерферометр, но до того, как его поглотил один из детекторов – так называемый отложенный выбор. Таким образом, экспериментаторы лишали бы фотон возможности «узнать», производится ли наблюдение или нет, и тем самым определить свое «поведение» – предстать частицей или волной. Впервые эту гипотетическую схему удалось реализовать лишь в 2007 году.

Схема интерферометра Маха - Цендера

Изображение: Wikimedia Commons

Слева классическая схема эксперимента Уиллера. Справа его новая реализация на атомах и с использованием лазерных имульсов

Изображение: Manning A.G. et als.

В новом исследовании австралийские физики использовали более массивные частицы – атомы, тем самым протестировав экспериментальную схему Уилера в совершенно новых условиях.

Ученые использовали сверххолодные атомы гелия, выпуская их поодиночке из оптической дипольной ловушки . Под действием гравитации атомы начинали падать в специальный детектор в виде микроканальной пластины . Спустя миллисекунду после начала падения лазерный луч «ударял» по атому, заставляя его занять суперпозицию двух дипольных моментов , направленных в разные стороны. Это был аналог «первого расщепляющего зеркала» Уилера.

Затем ученые решали – применить ли им второй лазерный импульс, для рекомбинации этих двух состояний. Всего могло быть два варианта такого смешанного состояния: первое в виде суммы двух волн и второе в виде разности. Какое из них возникнет, определял квантовый генератор случайных чисел. После применения второго лазерного импульса уже нельзя было определенно сказать - в каком из двух состояний находится атом. Всего таких экспериментальных проб было совершено больше тысячи.

Выяснилось, что если второй лазерный импульс не применялся, то вероятность детекции каждого из дипольных моментов равнялась 0,5. В то же время, после воздействия второго лазерного импульса наблюдалась четкая картина интерференции, выраженной в виде синусоиды, так же как и в опыте Юнга.

Таким образом, подтвердилось предположение Нильса Бора о том, что не имеет смысла приписывать то или иное поведение частицам – как волны или как собственно частицы - до того как было произведено измерение. Впрочем, существует еще одно маловероятное объяснение, что частицы каким-то образом получают информацию из будущего. Оно предполагает, что информация может передаваться быстрее света, что невозможно с точки зрения теории относительности.

Картинка для привлечения внимания, но относящаяся к теме.
Привет, хабр!
Хотите немного размять свои мозги? «Жили-были древние греки. Хорошо жили, потому что вместо них трудились рабы. И было древним грекам очень скучно: работать не привыкли, заняться нечем. Смастерили лиру для музицирования, придумали театр, геометрию, математику, философию и прочие науки, а развлечений всё равно не хватало.
И тут на помощь страждущим пришёл Зенон Элейский с его так называемыми апориями - парадоксами, предназначенными для изрядной нагрузки на мозги современников.

Современники возрадовались: теперь можно было не просто бездельничать, а долго и упорно размышлять над предложенными парадоксами, которые, к тому же, отчасти оправдывали лень».

В самом деле, если движения не существует в принципе, то зачем зря стараться, куда-либо идти и что-то делать, достаточно просто лежать на травке под акациями и мудрствовать лукаво над тайнами Вселенной.
Заинтересовало? Добро пожаловать под хабракат (привёл несколько ссылок на учебники квант.физики).
Почему движения не существует? Сие умозаключение проистекает из знаменитого парадокса, названного «стрела Зенона». Суть в том, что стрела в полёте остаётся неподвижной в каждый отдельно взятый момент времени. Как на фотографическом снимке. Значит, на самом деле… никуда не летит. А если и летит, то только с точки зрения наблюдающих за ней.

В 1958-м году в СССР о данном парадоксе вспомнил Леонид Халфин. В отличие от древних греков, Халфин занимался делом - исследовал вопросы квантовой физики. И выдвинул совершенно мистическую гипотезу. Сначала перескажу её «птичьим» языком. При условии дискретности энергетического спектра , распад квантовых состояний зависит от частоты измерений напрямую. Если наблюдать за нестабильной частицей достаточно часто, то она не распадётся вообще.

Теперь - нормальным языком. Если на нестабильную частицу никто не смотрит, то она обижается от отсутствия внимания к своей персоне и распадается. Но не распадётся до тех пор, пока хоть кому-нибудь интересна. Ибо сам факт наблюдения способствует продлению существования наблюдаемой сущности. Стрела Зенона является летящей до тех пор, пока мы видим, как она летит.

Через двадцать лет американцы решили продолжить исследования своего советского коллеги. В частности, физики Джордж Сударшан и Байдьянат Мизра. Именно они в 1978-м обозначили явление как «Квантовый парадокс Зенона», назвав так свою статью. А в 1989-м поползли слухи о том, что сей эффект якобы подтверждён экспериментально. Видимо, кто-то очень долго пялился на кванты, не позволяя им кануть в небытие.

Оказывается, действию эффекта подвержены не только квантовые состояния чего бы то ни было, но даже распад радиоактивных частиц. Якобы частица то ли распадается медленнее, то ли становится вообще вечной, если рядом с ней поместить счётчик Гейгера или подобный датчик.

Жаль, не хватило датчиков, дабы завалить ими Чернобыльскую АЭС и таким образом ликвидировать последствия аварии…"

Вот так пишут гуманитарии для гуманитариев. Про выводы я помолчу, если захотите, сами прочитаете
Но там вспомнили про то, что Тесла верил в теорию эфира, говорят, что она верна, что теорию относительности ещё не доказали и что один никому не известный советский учёный всё уже доказал: «Учёные просто зарабатывают на коллайдере».

Ох, в действительности, подобное поведение следует из уравнения Шрёдингера.
Если рассматривать вероятность распада радиоактивной частицы, как мы привыкли: w=1 - exp(-t/T), то вероятность распада, если мы измеряем N раз - не меняется.
w=1 - exp(-t/NT)^N=1 - exp(-t/T).
Если же мы будем рассматривать поведение волновой функции в том же процессе, используя уравнение Шрёдингера, то мы увидим зависимость от числа измерений. Более того, при устремлении числа измерений к бесконечности (непрерывном измерении) частица не будет распадаться.

Есть ещё более простое объяснение, без математики, следующее из работ Джона фон Неймана, в частности из гипотезы о существовании редукции фон Неймана(коллапс волновой функции) . Это явление мгновенного изменения волновой функции при измерении на собственный вектор.
Поэтому, если часто производить измерения, время на то, чтобы изменить состояние уменьшается, квантовая частица остаётся в своём состоянии.

К примеру, частица может перейти в возбуждённое состояние, тогда наблюдение уменьшит вероятность перехода.
Более сложный и интересный пример: атом переходит из возбуждённого состояния (1) в ещё более высокоэнергетичное (2), откуда может перейти в основное состояние (3) с испусканием фотона определённой частоты. Даже возможность наблюдать этот фотон, не обязательно его наблюдение, говорит о том, что чем вероятнее переход 2-3, тем менее вероятен переход 1-2. Можете прочитать это

Эффект может быть применим для «заморозки» атома в нужном квантовом состоянии, чтобы квантовый компьютер мог считывать информацию, возможно использование для производства коммерческих атомных магнитометров.
Многие считают этот эффект основой мышления людей и уникальной особенности птиц ориентироваться по магнитному полю Земли.
Говорят, группа учёных решила его применить для передачи информации быстрее скорости света.
Кто-то мечтает с его помощью защищать информацию от прочтения третьими лицами. Про это вы можете прочитать, пройдя по этой ссылке. Вообще, это почти неисчерпаемая тема, ведь эта тема имеет множество отсылок к другим темам и говорить об этом можно почти бесконечно.
Спасибо за внимание.
UPD: Спасибо пользователю за показ ошибки и за перессылку её в диалоги.

Рассмотрим квантовое стирание для фотона, где маркером пути является его поляризация.

На рис. 10, а источник S испускает одиночные фотоны, плоско поляризованные в направлении h , перпендикулярном рисунку. Фотон в виде волны проходит через щели 1 и 2 и регистрируется детектором D , который сканирует область регистрации, поперечную оптической оси. В результате прохождения через установку большого числа фотонов возникает интерференционная картина.

Рис. 10 . Квантовое стирание локализации фотона

Перед щелью 1 устанавливаем полуволновую пластинку E , показанную на рис. 10, б . Она поворачивает плоскость поляризации на
в направленииv и является маркером пути фотона через щели. Фотоны с взаимно перпендикулярными поляризациями проходят через разные щели, между собой не интерферируют, интенсивности излучений складываются, получается распределение света на экране регистратора, показанное на рис. 9, б .

Стираем информацию о пути фотона, устанавливая перед регистратором анализатор G с углом поляризации
. Анализатор проектирует на свою ось вектора электрических полей, прошедших щели 1 и 2. Выходящие из анализатора поля имеют одинаковые направления и уменьшенные в два раза интенсивности согласно закону Малюса.

.

Информация о путях фотона через щели стерта, он оказывается волной, проходит одновременно через две щели, интерференция восстанавливается, как показано на рис. 10, в .

Особенностью рассматриваемых процессов является то, что все действия производятся над одиночным фотоном.

По поводу квантового стирания возникает вопрос: как «узнает фотон» во что ему превратиться – в частицу, и проходить через одну щель как на рис. 10, б , или в волну, и проходить одновременно через две щели, как на рис. 10, в ? Ведь место, где должен быть сделан выбор, расположено до щелей, а место, где реально этот выбор делается, расположено после щелей – там, где ставится или не ставится анализатор. Причина и следствие поменялись местами? Ответ на этот вопрос связан с квантовой нелокальностью микрообъекта.

Квантовая нелокальность

Классические представления основаны на локальности объекта и отсутствии дальнодействия , когда характеристики объекта существуют до измерения, а взаимно удаленные измерительные приборы не влияют на изучаемый объект и на показания друг друга. Эйнштейн, Подольский и Розен в 1935 г. сформулировали парадокс ЭПР, который, как они считали, опровергает полноту описания явлений при помощи квантовой механики. Эксперименты с интерферометрами, проведенные в конце ХХ века, подтвердили выводы квантовой механики и поставили под сомнение принцип локальности объекта.

Интерферометр – устройство, где проявляются волновые свойства объекта. Модификация конструкции интерферометра позволяет преобразовать поведение микрообъекта из волнового в корпускулярное и наоборот. Если это происходит в процессе движения объекта через интерферометр, то изменение поведения объекта называется задержанным выбором состояния в виде частицы или волны. Опыт теоретически разрабатывал Уилер с 1978 г. по 1983 г. Эксперимент с фотонами реализовал V. Jacques et al . в 2006 г. (Science 315 , 966 (2007)), используя интерферометр Маха–Цендера. Подобный эксперимент с атомами гелия выполнен в 2015 г., также подтвердивший предсказания квантовой механики.

Джон Арчибальд Уилер (1911–2008)

В интерферометре Маха–Цендера, показанном на рис. 11, а , одиночный фотон направляется от источника S к делителю B 1, который содержит полупрозрачное зеркало, напыленное на стеклянную пластинку. Фотонодержит полупрозрачное зеркало, показанное на рисунке 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 проходит B 1 в прямом направлении, или отражается вниз, с вероятностями
и поступает в канал 1 или 2. Отразившись от зеркалM 1 и M 2, фотон проходит делитель B 2, аналогичный B 1, и регистрируется детектором D 1 или D 2. Делители расположены так, что обеспечивается одинаковый оптический путь фотона к детектору для каждого канала. Зеркала M 1 и M 2 сдвигают фазы в каждом канале на одинаковую величину, что не влияет на разность фаз и в формулах не учитывается.

Рис. 11 . Интерферометр Маха–Цендера

Из рис. 11, а получаем амплитуды вероятности прохождения фотона по двум каналам к детекторам:

–амплитуда прохождения делителя
;

–амплитуда отражения от делителя
.

При отражении теряется фаза
, тогда
. Получаем вероятности срабатывания детекторов

,

. (3)

Следовательно, при прохождении фотона одновременно по двум каналам в виде волны срабатывает только детектор D 2.

При убранном делителе B 2 интерферометр показан на рис. 11, б . Фотон попадает к детектору D 1, проходя по каналу 1, и к детектору D 2, проходя по каналу 2. Из рис. 11, б получаем

,

,

. (4)

Рис. 11 . Интерферометр Маха–Цендера

Следовательно, срабатывания детекторов равновероятны. Активизированный детектор указывает канал, по которому прошел фотон. Он распространяющаяся лишь по одному из возможных каналов, интерференция отсутствует. Фотон ведет себя как классическая локализованная частица. Удаление второго делителя превращает фотон в частицу .

В эксперименте с задержанным выбором V. Jacques et al . использовали интерферометр Маха–Цендера со световодами в каналах 1 и 2 протяженностью 48 м. Свет проходит это расстояние за 160 нс. Квантовый генератор случайных чисел меняет состояние делителя B 2 – удаляет его из схемы, или подключает, за 40 нс. Два события – прохождение фотоном первого делителя и манипуляция со вторым делителем, разделены пространственно-подобным интервалом, что исключает возможность передачи информации о состоянии второго делителя к фотону, проходящему первый делитель. В рамках классической физики судьба фотона решается на первом делителе – он идет по одному каналу как частица, или одновременно по двум каналам как волна. Эксперимент подтвердил результаты квантовой механики (3) и (4), основанные на том, что все решается наличием или отсутствием второго делителя. Тогда в рамках классической физики возникает вопрос – как «узнает» фотон во что превратиться – в волну или частицу, если о подключении или удалении второго делителя можно узнать лишь после того, как фотон прошел первое разветвление каналов, где решается его судьба? Из изложенных особенностей квантового поведения следует, что до момента срабатывания детектора фотон остается суперпозицией волны и частицы . Как сказал Клышко – «фотон является фотоном (то есть локазизованной частицей), если это – зарегистрированный фотон». Для незарегистрированного фотона факт суперпозиции волны и частицы подтвердили последующие эксперименты, где второй делитель используется в квантовом режиме в виде суперпозиции состояний подключенного и отключенного элемента оптической схемы. Следовательно, незарегистрированный фотон не локализован в пространстве-времени, но присутствует во всех каналах одновременно и реагирует мгновенно на изменения в конструкции устройства, где бы эти изменения ни проводились . Такое поведение микрообъекта называется квантовой нелокальностью , и это можно рассматривать как нахождение вне пространства-времени . Регистрация частицы локализует ее и переводит в пространство-время. Другие варианты объяснения проведенного эксперимента требуют нарушения постулата специальной теории относительности о невозможности перемещения со скоростью, превышающей скорость света, или нарушения принципа причинности о запрете опережающего сигнала. Использовать квантовую нелокальность для передачи информации со сверхсветовой скоростью невозможно из-за вероятностного характера квантовых процессов, отображающихся в пространстве-времени.

В "опыте Юнга" электроны из электронной пушки пролетают через 1 или 2 щели в преграде и оставляют след на экране.

При пролете через одну щель электроны оставляют одну полоску на экране против щели, как будто, электрон - частица.

Интересное происходит при пролете через 2 щели в преграде.

Электроны проявляют себя как волна (интерференционная картина из множества полос как результат наложения волн), если не наблюдать за тем, через какую щель пролетал каждый электрон.

А если наблюдать, через какую из 2 щелей пролетел каждый электрон, то на экране будет 2 полоски (то есть, электроны вели себя как частицы).

Получается 2 возможных варианта:

1. Поведение электрона зависит от того, наблюдал ли за ним человек или нет. То есть, сознание человека влияет на поведение электрона.

2. На электрон влияет то техническое устройство ("детектор"), которое фиксирует через какую щель он летит. (Далее информация передается человеку от детектора, и человек тут не при чем).
Чтобы разобраться с этим решили записывать данные с включенного детектора и картину на экране, но не сообщать всё это человеку.

Выяснилось. Если во время эксперимента не наблюдать за пролетом электронов через каждую щель, а записать показатели детекторов обоих щелей о пролете через них каждого электрона, но, эти данные не изучить человеком, а сразу уничтожить после эксперимента, то мы получим на экране волновую картину, а не две полоски. Это называется "стирание данных".

А, если, данные не уничтожать, а изучить после опыта, то, на экране получится 2 полоски напротив щелей.

Вот это стирание данных наиболее удивительно. Но, прежде чем разобраться с этим, надо точно выяснить - реальный ли это эксперимент или вымышленный?

В википедии есть небольшая статья без всяких ссылок, где стирание данных названо "Эксперимент квантового ластика" :

Эксперимент имеет две стадии: сначала экспериментатор отмечает через какую прорезь прошел каждый фотон без нарушения движения, и демонстрирует нарушение интерференционной картины. Эта стадия показывает, что существует «путевая» информация, которая вызывает повреждение интерференционной картины, но нет механического нарушения (как полагалось в начале создания квантовой теории). Вторая стадия проходит, стирая «путевую» информацию, и демонстрируя, что интерференционная картина восстановлена.

Из того что я накопал в интернете выходит, что в дискуссиях на русском языке народ разделился на 2 категории - одни считают, что хоть стирай данные, хоть не стирай, всё равно, на экране будут 2 полоски, другие считают что при стирании данных с детекторов на экране получится волновая картина с множеством полос (более 2).

Я брал инфу, в том числе, отсюда:

Опыт Юнга объясняет Том Кэмпбел.
Корпускулярно-волновой дуализм