The Delayed Choice Quantum Eraser är ett interferensexperiment som pionjärer av Yun-Ho Kim, R. Yuu, S.P. Kulik, Y.H. Shi och Marlan O. Scully[1] och publicerades i början av 1999, utvecklade idén om kvantsuddarexperimentet , och införlivade koncepten som utforskades i Wheelers experiment med fördröjda val. Experimentet utformades för att undersöka de specifika konsekvenserna av det välkända dubbelslitsexperimentet inom kvantmekanik , såväl som konsekvenserna av kvanttrassling .
Kvantsuddaren med fördröjt val utforskar följande paradox: Om en foton beter sig som om den hade passerat en av de möjliga vägarna till detektorn, säger "sunt förnuft" (som Wheeler och andra ifrågasätter) att den måste ha passerat en dubbel- slitsanordning i form av en partikel. . Om fotonen å andra sidan beter sig som om den hade passerat genom två oskiljbara banor, så måste den ha passerat genom dubbelslitsanordningen som en våg. Om däremot experimentuppställningen ändras vid den tidpunkt då fotonen är på väg, så måste fotonen ändra sitt initiala "beslut" om det ska vara en våg eller en partikel. Wheeler påpekade att om dessa antaganden tillämpades på en enhet med kosmiska dimensioner, så skulle ett sista minuten-beslut att observera en foton på jorden kunna ändra ett tidigare beslut som togs för miljoner eller till och med miljarder år sedan.
Situationen när mätningar gjorda på fotoner i nuet kan förändra händelser som redan har ägt rum kräver en icke-standardiserad idé om kvantmekanik. Om en flygande foton tolkas som att den befinner sig i det så kallade "superpositionstillståndet" , det vill säga om den förstås som något som kan manifestera sig som en partikel eller en våg, så är den under flygning inte i någon av de två stater, och därför finns det ingen tidsparadox. Detta är standardrepresentationen, vilket bekräftas av nyare experiment [2] [3] .
I det grundläggande experimentet med två spalter riktas en ljusstråle (vanligtvis från en laser) vinkelrätt mot en vägg som har två parallella slitsar. Om en projektionsduk (allt från ett vitt papper till en CCD ) placeras på andra sidan av den dubbla slitsväggen, kommer en bild av ljusa och mörka ränder att observeras, vilket kallas ett interferensmönster . Andra föremål i atomär skala, såsom elektroner , har visat sig uppvisa samma beteende när de avfyras genom en dubbel slits [4] . Det är möjligt att minska ljusstyrkan på källan på ett sådant sätt att det blir möjligt att skilja mellan enskilda partiklar som bildar ett interferensmönster [5] . Uppkomsten av ett interferensmönster indikerar att varje partikel som passerar genom slitsarna interfererar med sig själv, och därför, i en viss mening, passerar partikeln samtidigt genom båda slitsarna [6] :110 . En sådan idé motsäger vår vardagliga erfarenhet av diskreta föremål.
Ett välkänt tankeexperiment , som har spelat en avgörande roll i kvantmekanikens historia (se till exempel diskussionen om Einsteins version av detta experiment ), visade att om partikeldetektorer placeras på slitsar för att ta reda på vilken slits en foton passerar igenom, då försvinner interferensmönstret [4] . Detta sökvägsexperiment illustrerar komplementaritetsprincipen , enligt vilken fotoner kan bete sig antingen som partiklar eller som vågor, men inte båda samtidigt [7] [8] [9] . Tekniskt genomförbara sätt att genomföra detta experiment fanns dock inte förrän på 1970 -talet [10] .
Därför är väginformation och franssikt ytterligare kvantiteter. I dubbelslitsexperimentet var den konventionella visdomen att observation av partiklarna oundvikligen störde dem så mycket att interferensmönstret kollapsade som ett resultat av Heisenbergs osäkerhetsprincip .
Men 1982 fann Scully och Druhl ett kryphål i denna tolkning [11] . De föreslog ett "kvantradergummi" för att få väginformation utan att sprida partiklar, eller med andra ord, genom att införa okontrollerade fasfaktorer i dem.. Istället för att försöka observera vilken foton som kommer in i vilken slits (stör dem på detta sätt), föreslog de att "märka" dem med information som skulle göra det möjligt att särskilja fotoner efter att ha passerat genom slitsarna. Och interferensmönstret försvinner verkligen när fotoner märks på detta sätt. Emellertid återkommer interferensmönstret om ytterligare väginformationsmanipulationer utförs för att dölja vägmarkeringen efter att de markerade fotonerna har passerat genom dubbelslitsen. Sedan 1982 har många experiment visat bevis för den så kallade kvant "radergummit" [12] [13] [14] .
En enkel version av ett kvantsuddgummi kan beskrivas på följande sätt: istället för att dela en enskild foton eller dess sannolikhetsvåg mellan två slitsar, passerar fotonen genom en stråldelare. Ur fotonflödets synvinkel riktas varje foton slumpmässigt längs en av två banor av en sådan stråldelare, och därmed skyddas fotonerna från att interagera med varandra, och det verkar som att ingen foton kan störa sig själv eller med andra.
Men om frekvensen av fotonemission minskar till en nivå där endast en foton kommer in i enheten åt gången, blir det oklart hur fotonen rör sig längs endast en av vägarna, för när vägarna leder till en gemensam detektor eller detektorer, då störningar visas. Detta liknar beteendet hos en enkel foton i en dubbelslitsenhet: även om det är en enkel foton interagerar den fortfarande på något sätt med båda slitsarna.
På de två diagrammen i fig. 1 sänds fotoner ut från lasern, indikerad av den gula stjärnan, en i taget. De passerar genom en 50 % stråldelare (grönt block), som reflekterar hälften av fotonerna och överför den andra hälften utan reflektion. Reflekterade och transmitterade fotoner följer två olika vägar, indikerade med röda och blå linjer.
I det övre diagrammet verkar det som att vi känner till fotonbanorna: om fotonen lämnar enheten uppåt verkar den ha tagit den blå banan, och om den går ut i sidled verkar den ha tagit den röda banan. Det är dock viktigt att komma ihåg att en foton före detektion befinner sig i en superposition av banor. Ovanstående förslag om att det måste ha tagit en av vägarna är den "delade felslutningen".
I det nedre diagrammet har en andra stråldelare lagts till uppe till höger. Den kombinerar strålarna som motsvarar de röda och blå banorna. Med introduktionen av den andra stråldelaren är det bekvämt att föreställa sig att väginformationen har "raderats" - vi måste dock vara försiktiga, eftersom det inte kan antas att fotonen "verkligen" gick längs en eller annan väg. Återkombination av strålarna resulterar i störningar på detektorskärmarna som finns precis bakom var och en av utgångarna. I den högra delen finns en ökning, och i den övre delen - en försvagning. Det är dock viktigt att komma ihåg att interferometereffekterna som visas endast gäller en enda foton i rent tillstånd. När man har att göra med ett par intrasslade fotoner kommer fotonen som interferometern möter att vara i ett blandat tillstånd, och därför kommer det inte att finnas något synligt interferensmönster utan träffräkningar som behövs för att välja lämpliga dataundergrupper [15] .
Elementära föregångare till moderna kvantsuddarexperiment, som det "enkla kvantsuddgummit" som beskrivs ovan, har enkla klassiska vågförklaringar. Det kan faktiskt hävdas att det inte finns något särskilt kvantum i detta experiment [16] . Jordan hävdade dock utifrån korrespondensprincipen att, trots förekomsten av klassiska förklaringar, första ordningens interferensexperiment som de som presenteras ovan kan tolkas som sanna kvantsuddgummi [17] .
Dessa föregångare använder singelfotoninterferens. Men versioner av kvantsuddgummi som använder intrasslade fotoner är till sin natur icke-klassiska. På grund av detta, för att undvika eventuella tvetydigheter angående kvanttolkningar och klassiska tolkningar, har de flesta experimentörer valt att använda icke-klassiska ljuskällor med intrasslade foton för att demonstrera kvantsuddgummi utan en klassisk motsvarighet.
Dessutom tillåter användningen av intrasslade fotoner utformningen och implementeringen av versioner av kvantsuddgummit som inte kan uppnås med enfotoninterferens, såsom kvantraderaren med fördröjt val , som är föremål för denna artikel.
Figur 2 visar experimentupplägget detaljerat av Kim och hans medförfattare Yuu, Kulik, Shi, Marlan och Scully. [1] . Argonlasern genererar individuella 351,1 nm fotoner som passerar genom en dubbelslitsuppsättning (vertikal svart linje i det övre vänstra hörnet av diagrammet).
En enskild foton passerar genom en (eller båda) av de två slitsarna. I illustrationen är fotonbanor färgkodade som röda eller ljusblå linjer för att indikera vilken slits fotonen passerade genom (röd anger slits A, ljusblå anger slits B).
Hittills liknar experimentet det vanliga dubbelslitsexperimentet. Efter slitsarna används emellertid spontan parametrisk nedkonvertering (SPDC) för att förbereda ett intrasslat tvåfotontillstånd. Detta görs med hjälp av en icke-linjär optisk BBO-kristall ( bariumbetaborat) som omvandlar en foton (från valfri slits) till två identiska, ortogonalt polariserade intrasslade fotoner med halva frekvensen av den ursprungliga fotonen. Banorna dessa ortogonalt polariserade fotoner tar bestäms av Glan-Thompson-prismat.
En av dessa 702,2 nm-fotoner, kallad "signal"-fotonen (se de röda och ljusblå linjerna som går upp från Glan-Thompson-prismat), fortsätter att resa till måldetektorn som kallas D 0 . Under experimentet skannas detektorn D 0 längs sin x - axel , dess rörelse styrs av en stegmotor. Du kan undersöka plotten av antalet "signal"-fotoner som detekteras av detektorn D 0 mot x för att avgöra om den totala signalen bildar ett interferensmönster.
En annan intrasslad foton, som kallas den "lediga" fotonen (se röda och blå linjer som går ner från Glan-Thompson-prismat), avböjs av PS-prismat, som skickar den längs divergerande banor beroende på vilken slits (A eller B) den kom. från. .
Någonstans efter banuppdelningen går de tomgångsfotonerna in i stråldelaren BSa , BSb och BSc , som var och en har en 50% sannolikhet att passera en tomgångsfoton och en 50% sannolikhet för dess reflektion. M a och M b är speglar.
Stråldelare och speglar riktar tomgångsfotoner till detektorer betecknade D 1 , D 2 , D 3 och D 4 . Anteckna det:
Detektering av en tomgång med D 3 eller D 4 ger en fördröjd "väginformation" som indikerar om signalfotonslitsen A eller B som är intrasslad med den passerade. Å andra sidan ger detektering av en tomgångsrulle med D 1 eller D 2 en fördröjd indikering, att sådan information är inte tillgänglig för dess intrasslade fotonsignal. Situationen där väginformation tidigare var potentiellt tillgänglig från en ledig foton kallas "fördröjd radering" av sådan information.
Med hjälp av en slumpräknare kunde försöksledare isolera den intrasslade signalen från fotobrus genom att endast registrera händelser där både signal- och tomgångsfotoner detekterades (efter att ha kompenserat för en 8ns fördröjning). Se fig. 3 och 4.
Detta resultat liknar experimentet med två spalter, eftersom interferens observeras när det inte är känt vilken slits fotonen kommer ifrån, och inte observeras när banan är känd.
Det som gör det här experimentet något överraskande är att, till skillnad från det klassiska dubbelslitsexperimentet, valet att behålla eller radera informationen om tomgångsvägen endast gjordes 8 ns efter att positionen för signalfotonen redan hade fixerats vid hjälp D 0 .
Detektering av signalfotoner i D 0 ger inte direkt någon information om vägen. Detekteringen av tomgångsfotoner i D3 eller D4 som tillhandahåller väginformation innebär att inget interferensmönster kan observeras i den gemensamt detekterade delmängden av signalfotoner i Do. På liknande sätt innebär detekteringen av tomgångsfotoner i D 1 eller D 2 som inte tillhandahåller någon väginformation att interferensmönster kan observeras i den samdetekterade delmängden av signalfotoner i D 0 .
Med andra ord, även om tomgångsfotonen inte observeras förrän, på grund av den kortare optiska vägen, dess intrasslade signalfoton når Do efter en tid , bestäms interferensen i Do av om tomgångsfotonen intrasslad med signalfotonen är detekteras i detektorn., som lagrar väginformationen ( D3 eller D4 ) , eller i detektorn, som raderar väginformationen ( D1 eller D2 ) .
Vissa tolkar detta resultat som att det fördröjda valet att observera eller inte observera den lediga fotonens väg ändrar resultatet av en händelse i det förflutna [18] [19] . Notera särskilt att interferensmönstret endast kan härledas från observation efter att tomgångshjul har detekterats (dvs i D 1 eller D 2 ).
Summabilden av alla signalfotoner i D 0 vars intrasslade tomgångspar har passerat till flera olika detektorer kommer aldrig att visa störningar, oavsett vad som händer med tomgångsledarna [20] . Du kan förstå hur detta fungerar genom att titta på kurvorna för R 01 , R 02 , R 03 och R 04 och lägga märke till att topparna för R 01 sammanfaller med dalarna för R 02 (dvs. det finns en π-fasförskjutning mellan två interferensfransar). R03 visar ett enda maximum , liksom R04 , som experimentellt är identisk med R03 . Intrasslade fotoner som filtrerats av en koincidensräknare är modellerade i fig. 5 för en visuell representation av bevisen som är tillgängliga från experimentet. Vid D 0 kommer summan av alla korrelerade händelser inte att störa. Om alla fotoner som når D 0 plottades på en graf, skulle bara det ljusa centrala bandet vara synligt.
Fördröjda valexperimentväcker frågor om tid och tidsförlopp och ifrågasätter därmed våra vanliga föreställningar om tid och kausalitet [not 1] . Om händelserna i D 1 , D 2 , D 3 , D 4 bestämmer resultaten i D 0 , så föregår effekten orsaken. Om de lediga ljusstrålarna var avsevärt förlängda så att det skulle gå ett år innan en foton uppträdde i D 1 , D 2 , D 3 eller D 4 , då när en foton uppträdde i en av dessa detektorer, skulle detta få en signalfoton att uppträda i vissa regimer ett år tidigare. Med andra ord, att veta det framtida ödet för tomgångsfotonen kommer att bestämma aktiviteten hos signalfotonen i dess egen nutid. Ingen av dessa idéer passar den normala mänskliga förväntan på kausalitet. Kunskapen om framtiden, som kan vara en latent variabel, motbevisades dock i experiment [21] .
Experiment som involverar intrassling visar fenomen som kan få vissa människor att ifrågasätta sina vanliga föreställningar om orsakssekvens. I en kvantraderare med fördröjt val kommer ett interferensmönster att bildas vid Do även om vägdata som hänför sig till fotonerna som bildar det raderas efter att signalfotonerna träffat den primära detektorn. men inte bara denna egenskap hos experimentet orsakar förvirring; D 0 kan i princip finnas på ena sidan av universum, och de andra fyra detektorerna kan vara "på andra sidan av universum" i förhållande till varandra [22] :197f .
Interferensmönstret kan dock observeras retrospektivt först efter att tomgångsfotoner har detekterats och försöksledaren har fått information om dem, och när försöksledaren tittar på vissa delmängder av signalfotoner, som jämförs med deras tomgångspar som har passerat specifika detektorer [ 22] : 197 .
Dessutom försvinner det uppenbara bakslaget om effekterna av observationer av tillståndet för den intrasslade signalen och tomgångsfotonerna beaktas i deras historiska ordning. Speciellt i det fall där detektering/borttagning av information om någon väg sker före detektering i Do , är den förenklade standardförklaringen: "Detektorn Di i vilken tomgångsfotonen detekteras bestämmer sannolikhetsfördelningen i Do för signalen foton". På liknande sätt, i fallet där D 0 föregår detekteringen av tomgångsfotonen, är följande beskrivning exakt densamma: "Positionen i D 0 för den detekterade signalfotonen bestämmer sannolikheterna för att tomgångsfotonen kommer att träffa D 1 , D 2 , D 3 eller D 4 ". Dessa är helt enkelt likvärdiga sätt att formulera korrelationerna för observerade intrasslade fotoner på ett intuitivt kausalt sätt, så vilken som helst av dem kan väljas (i synnerhet den där orsaken föregår effekten och det inte finns någon retrograd effekt i förklaringen).
Det övergripande mönstret av signalfotoner vid den primära detektorn ger aldrig störningar (se fig. 5), så det är inte möjligt att avgöra vad som kommer att hända med tomgångsfotoner genom att endast observera signalfotoner . En kvantraderare med fördröjt val förmedlar inte information genom retro-orsak, eftersom sortering av överlagrade data i signalfotoner i fyra strömmar som reflekterar tillstånden för de tomgångsfotonerna på fyra olika detektorer kräver en annan signal, som måste komma genom en process som inte kan gå snabbare än ljusets hastighet [not 2] [not 3] .
Faktum är att satsen bevisad av Philipp Eberhard visar att om de accepterade ekvationerna för relativistisk kvantfältteori är korrekta , borde det vara omöjligt att experimentellt bryta kausalitet med hjälp av kvanteffekter [23] (Se referens [24] för en behandling som betonar rollen av betingade sannolikheter.) .
Förutom att utmana våra sunt förnuftiga föreställningar om temporal sekvensering i kausalitet, är detta experiment ett som allvarligt attackerar våra föreställningar om lokalitet , idén att saker inte kan interagera om de inte är i kontakt, vare sig det är direkt fysisk kontakt, eller åtminstone genom interaktion genom magnetiska eller andra fenomen som fält [22] :199 .
Trots Eberhards bevis har vissa fysiker föreslagit att dessa experiment skulle kunna modifieras på ett sådant sätt att de matchar tidigare experiment, men kan tillåta brott mot experimentell kausalitet [25] [26] [27] .
Många förbättringar och tillägg till experimentet av Kim et al. har gjorts eller föreslagits. kvantsuddgummi med fördröjt val. Här är bara ett litet urval av rapporter och förslag:
Scarcelli et al. (2007) rapporterade ett kvantsuddarexperiment med fördröjt val baserat på ett tvåfotonavbildningsschema. Efter att ha upptäckt en foton som passerade genom den dubbla slitsen, gjordes ett fördröjt slumpmässigt val att radera eller lämna väginformation genom att mäta dess avlägsna intrasslade tvilling; sedan registrerades fotonens corpuskulära och vågbeteende samtidigt av endast en uppsättning leddetektorer [28] .
Peruzzo et al. (2012) rapporterade ett kvantexperiment med fördröjt val baserat på en kvantstyrd stråldelare som samtidigt undersökte beteendet hos partiklar och vågor. Kvantnaturen hos fotonens beteende testades med Bells ojämlikhet, som ersatte observatörens försenade val [29] .
Rezai et al. (2018) kombinerade Hong-Wu-Mandel-interferens med ett kvantsudd med fördröjt val. De lägger på inkompatibla fotoner på stråldelaren så att det är omöjligt att observera interferensmönstret. När utgångsportar övervakas på ett integrerat sätt (det vill säga alla klick räknas) finns det ingen störning. Först när de utgående fotonerna utsätts för en polarisationsanalys och rätt delmängd väljs uppstår kvantinterferens i form av Hong-Wu-Mandel-dippet [30] .
Utvecklingen av elektroniska Mach-Zehnder-interferometrar (MZI) i fast tillstånd har lett till förslag om att använda dem i elektroniska versioner av experiment med kvantsudd. Detta skulle uppnås genom Coulomb-koppling med en andra elektron MZI som fungerar som en detektor [31] .
Intrasslade par av neutrala kaoner har också undersökts och befunnits vara lämpliga för studier med kvantmarkering och kvantraderingsmetoder [32] .
Ett kvantsuddgummi har föreslagits med en modifierad Stern-Gerlach- inställning . I detta förslag finns det inget behov av slumpräkning, och kvantradering uppnås genom att applicera ett ytterligare Stern-Gerlach magnetfält [33] .