Квантовый ластик с отложенным выбором
Предисловие: Товарищ @Jinxy в комментарии предложил осветить данный вопрос, и я с удовольствием согласился. Так как это позволяет порассуждать о многих аспектах квантовой физики, экспериментальной работе и важности интерпретации полученных данных. Описание будет вестись для фотонов, так как с ними эксперимент наиболее простой в исполнении и понимании. Далее мы узнаем, позволяет ли квантовый ластик путешествовать во времени и нарушать причинно-следственные связи (спойлер: нет).
Осторожно, очень длиннопост.
Фотон - волна или частица?
Стоит начать с момента, который будет определяющим для дальнейшего понимания, а также поможет в дальнейшем не задаваться вопросом о природе квантового объекта. Сам я ни раз (это было дважды) слышал аргумент о несостоятельности физики, так как она не может даже ответить на простой вопрос: фотон - это волна или это частица? Как всегда, рассмотрим это просто и по аналогии. Возьмём в пример яблоко:
Его боялись даже врачи...
Если у вас спросят "яблоко зелёное или твёрдое?", вы поймёте боль физиков с вопросом о том, волной или частицей является объект. Если на яблоко смотреть, то оно зелёное. Если яблоко трогать, то оно твёрдое. Это очевидный ответ, показывающий, как важен контекст измерения. Если мы описываем взаимодействие фотона с веществом (поглощение или испускание), то мы говорим, что фотон рассматривается как частица, потому что с этой точки зрения очень удобно и легко делать расчёты и предсказания, которые потом проверяются на практике. Если мы описываем движение фотона (прохождение через две щели сразу, усиление или ослабление света), то фотон рассматривается как волна, потому что, опять же, с этой точки зрения удобно и легко делать предсказания и объяснять наблюдения.
Это получило название "корпускулярно-волновой дуализм" и означает то, что разные свойства объекта (в нашем случае фотона) проявляются в зависимости от конкретных условий. Сам же квантовый объект всегда находится в суперпозиции состояний - он всегда и частица, и волна. Точно также как яблоко всегда и зелёное, и твёрдое. Наши манипуляции и измерения позволяют только проявить какое-либо его свойство.
Для перехода непосредственно к квантовым ластикам необходимо рассмотреть такое свойство волны, как поляризация. Конечно, концепция эксперимента подразумевает, что мы можем использовать любое свойство, но поляризация наиболее удобная для понимания и проведения эксперимента.
Так как квантовый объект в любом случае может рассматриваться как волна, то мы можем выделить у этой волны ориентацию в пространстве. У хорошего годного электромагнитного излучения поляризация линейная, то есть электрическая и магнитная компоненты колеблются на одной линии (на картинке левая часть - горизонтальная и вертикальная линейные поляризации вверху и внизу). У менее хорошего излучения, электрическая и магнитная компоненты колеблются по окружности, как показано на рисунке в правой части. Причём, это может быть как в левую сторону, так и в правую сторону, образуя в пространстве левую или правую спирали. У совсем плохого естественного света есть все возможные направления колебаний, то есть там множество волн (множество фотонов), среди которых колебания закручены в разные стороны (если она круговая), у других под разными углами (если они линейные), у третьих в разные стороны и в разные углы (если она является смесью - эллиптическая поляризацией) и так далее.
Поляризация крутится - наука мутится
Экспериментально мы можем фильтровать только нужную поляризацию, как, например, в 3D-кинотеатрах на данный момент, где для одного глаза фильтруется горизонтальная поляризация, а для другого вертикальная. Также мы можем, превращать одну поляризацию в другую с помощью волновых пластинок. Мы можем повернуть её на любой угол, если она линейная, или превратить линейную в круговую, а круговую в линейную.
Когда стало ясно, что такое фотон, и что мы можем с ним делать, пришло время экспериментов. Во-первых, нам нужны не просто фотоны, а запутанные фотоны, то есть имеющие некую связь друг с другом, когда влияние на одного передаётся на другой. Для этого, в случае фотонов, используют спонтанное параметрическое рассеяние. Это процесс, когда один фотон раскалывается на 2. При этом законы сохранения энергии и импульса соблюдаются, а значит, если мы знаем энергию и импульс оригинально фотона, а также определили энергию и импульс одного из сгенерированных фотонов, мы легко можем подсчитать энергию и импульс другого сгенерированного фотона. То есть, между ними образуется связь, где зная состояние одного, мы можем узнать состояние другого. Один из получившихся фотонов называется "сигнальный", потому что будет использован, как сигнал экспериментатору о генерации пары, а другой "холостой", потому что в эксперименте по генерации он не сигнализирует ни о чём.
Жизненные пути после выпуска: один холостой и довольный, другой посылает какие-то сигналы незаметно от партнёра.
После получения квантовой запутанности мы можем провести двухщелевой эксперимент с одним из фотонов, чтобы пронаблюдать ожидаемую интерференционную картинку, когда фотон интерферирует сам с собой.
Один из фотонов даже не подозревает, насколько он окажется важным
Однако, мы снова задаёмся вопросом: если фотон является также и частицей, то через какую из щелей он пройдёт? И для определения мы решаем пойти на хитрость, так как уже знаем, что любая прямая попытка измерения в щели разрушит все квантовые состояния, и мы ничего не увидим. Поэтому мы не будем ставить детектор - вместо этого мы поставим волновые пластинки в каждой щели, чтобы не измерять сразу, а промаркировать фотоны для измерения в дальнейшем.
Поляризация фотона линейная, и мы можем превратить её в круговую. В одну щель мы поставим пластинку, которая сделает левую круговую, а в другую - правую. Это возможно, потому что волновая пластинка делает круговую поляризацию с направлением, зависящим от ориентации падающей линейной: например, делает левую круговую из вертикальной линейной, и правую круговую из горизонтальной линейной. Для одной щели берём пластинку как есть, а для другой - поворачиваем её на 90 градусов.
Теперь после щелей мы можем посмотреть на поляризацию фотона и сказать, через какую щель он прошёл. Однако, обмануть законы физики нам не удаётся - как только мы ставим пластинки и получаем возможность определить щель, через которую прошёл фотон, интерференционная картина пропадает.
Из-за малых размеров щелей, на экране будет одно пятно, а не два.
Недовольные данным эффектом, мы решаемся "стереть" информацию о том, через какую щель прошёл фотон. Однако, нам не хочется вмешиваться в уже сделанный эксперимент с двумя щелями, поэтому мы будем влиять на второй запутанный фотон, который до этого просто улетал. Для этого мы поворачиваем его поляризацию (например, на 45 градусов), что также поворачивает поляризацию фотона, готового пройти через щели. Тогда независимо от щели и от ориентации пластинки, превращающей линейную поляризацию в круговую, в каждой щели будет как левая так и правая круговые поляризации. Теперь мы не сможем узнать, через какую щель прошёл фотон, но зато интерференционная картинка восстанавливается.
Квантовым ластиком мы стёрли информацию о том, в какую щель пролетел фотон до его пролёта через эти щели.
Для интерференции у фотонов должна быть одинаковая поляризация, когда мы делаем её различной, чтобы определить щель, интерференция пропадает. Когда же мы снова её делаем одинаково смешанной для двух щелей, интерференция появляется.
Казалось бы, всё логично и просто. Но недаром квантовый ластик носит такое название - он оказался не так прост. С его помощью можно стирать информацию не только до пролёта через щели, но и после. То есть, мы можем промаркировать фотоны направление круговой поляризации и сразу измерить - тогда мы не увидим интерференции. Но если вместо измерения мы поменяем угол поляризации спутанного фотона, то сотрём информацию о прохождении щели, через дальнее взаимодействие поляризации фотонов изменятся, и тогда мы увидим интерференционную картину.
Вкинув очки навыка в ветку квантовой оптики мы можем манипулировать временем.
То есть, квантовым ластиком называют процесс стирания информации о том, через какую щель прошёл фотон, причём не зависимо, прошёл ли уже фотон через щель или ещё нет. Если сразу после щелей мы могли сказать, через какую из них прошёл фотон, то после стирания информации, уже не можем.
Значит ли это, что применение квантового ластика изменило прошлое? Если в начале фотон вёл себя как частица и пролетел только через одну щель, то после применения ластика он вернулся в прошлое, стал вести себя как волна, и прошёл через обе щели сразу? Тут стоит вернуться в начало поста и вспомнить принцип суперпозиции - фотон всегда и частица, и волна. Для того, чтобы проявилось его волновое свойство не нужно возвращаться в прошлое, нужно просто поставить эксперимент, в котором волновое свойство будет проявляться. Так что путешествия во времени отменяются...
В предыдущем пункте квантовый ластик действовал на фотоны до их попадания на экран, то есть до их детектирования. Как уже обсуждалось, детектирования удаляет все квантовые свойства и заставляет фотоны перейти в одно из возможных состояний: именно после детектирования мы знаем, проявлялись ли свойства частицы, или свойства волны.
Вернёмся на шаг назад, когда поставили пластинки, промаркировали фотоны и не увидели интерференции. Глубоко опечаленные отсутствием тёмных и светлых полос на экране, мы понимаем, что прошлого не изменить. Или же изменить? В чём была причина отсутствия интерференции? В том, что мы различали фотоны из двух щелей по их разным направлениям поляризации, так почему бы нам не стереть это знание уже после получения результата?
Заменим наш экран для наблюдения результата эксперимента на массив детекторов, которые могут не только сообщать о координате падения фотона, но и способны определять направление его круговой поляризации. Проведём эксперимент ещё раз, пронаблюдаем отсутствие интерференционной картины и сохраним данные для последующей обработки.
Наша задача - вновь сделать фотоны одинаковыми, то есть удалить различия в направлении круговой поляризации. Мы поступаем просто - у фотонов только 2 направления круговой поляризации, поэтому мы разделим все полученные данные на 2 кучи - с правой и левой поляризациями. А после построим получившиеся распределения.
Теперь мы сами определяем реальность...
С удивлением мы обнаруживаем, что в каждой выбранной группе интерференционные полосы вернулись. То есть, стерев различия между фотонами уже после их детектирования мы получили интерференционную картину. Это и есть квантовый ластик с отложенным выбором, когда мы стираем информацию уже после проведения эксперимента.
Означает ли это, что из-за наших действий прошлое изменилось именно так, чтобы мы в будущем смогли наблюдать интерференционную картину? Конечно, нет. На данный момент ещё ни в одном эксперименте не удалось нарушить причинно-следственную связь. К тому же, мы отчётливо помним и храним доказательства того, что интерференционной картины не было. Тогда в чём же дело?
Дело в нашем понимании двойственной природы квантовых объектов. Фотон не выбирает в каждый момент времени, быть ему частицей или волной, он всегда и частица, и волна. Он проходит через одну щель, как частица, и проходит через две щели, как волна, одновременно. Он проходит через волновую пластинку как волна, интерферирует сам с собой как волна, и поглощается детектором как частица. Фотон в любом случае интерферирует сам с собой, но так как у нас было 2 состояния, полученные интерференционные картины накладываются друг на друга, что в итоге даёт одно пятно без полосок, так как все минимумы одной волны компенсируются максимумами другой.
Не смотря на то, что квантовый ластик с отложенным выбором не дал нам возможности изменить прошлое, он позволил нам углубить понимание квантовой природы и важности интерпретации полученных экспериментальных данных.
Надеюсь, кто-то дочитает досюда. Кажется, я вхожу во вкус с длинными постами. И заметил, что Пикабу жёстко сжимает картинки. С этим можно что-то сделать?..
Популярная наука
953 поста5.2K подписчиков
Правила сообщества