Эксперимент с однофотонной интерференцией

Здесь, на мой взгляд, основная путаница тождества волны и частицы.

Когда мы говорим о фотонах, мы находимся в квантово-механическом режиме, это элементарная «частица». Кавычки необходимы, потому что это не частица, как бильярдный шар, и не волна, как акустическая волна, и даже не классическая электромагнитная волна. Это математически описываемая «сущность», которая, в зависимости от эксперимента, будет вести себя либо как бильярдный шар, то есть как точка в четырехмерном пространстве, но с определенными квантовыми числами (в случае спина фотона, поляризации и нулевой массы), либо как волна вероятности .

Волна вероятности выделена жирным шрифтом, чтобы подчеркнуть, что энергия сущности при появлении в виде волны не распространяется, как энергия звуковых волн, в пространстве. Сущность всегда будет появляться с определенным (x,y,z,t) (в рамках принципа неопределенности Гейзенберга ), но вероятность нахождения ее там будет отображать свойства волн, интерференционных картин. .

Эксперимент, который вы ставите, не имеет возможности обнаружить волновую природу распределения вероятностей фотона. Если это делается в вакууме, расстояние не будет играть никакой роли в эффективности обнаружения. Это займет немного больше времени из-за скорости света, но материал детектора не будет иметь значения: фотон либо будет там, либо нет.

В эксперименте с отложенным выбором описание совершает ту же ошибку. Отдельный фотон не выбирает оба пути. Интерференционная картина появляется из-за статистического накопления многих фотонов, которые затем отображают аспект волны вероятности волновой функции фотона. Каждый отдельный фотон движется по определенному пути, но на вероятность его прохождения влияет установка интерференции.

Это не интерференционный эксперимент (тракты не совмещены). Это установка для измерения двухфотонной корреляционной функции (эксперимент Хэнбери Брауна-Твисса). Он измеряет$g^{(2)}(t=L/c,t'=3L/c)$который равен нулю, если входное состояние является однофотонным.

Происходит то, что «однофотонная волновая функция» (ВФ) распространяется на светоделитель и там расщепляется на составляющие, одна передается, другая отражается. В какой-то момент$L/c$, переданная волновая функция поступает на ближайший детектор и проецируется на устройство. Тогда с определенной вероятностью (которая равна 1/2 для сбалансированного светоделителя) детектор щелкнет. При этом отраженная компонента волны исчезает (мгновенно). Если детектор не щелкает, то «вся вероятность» переходит в составляющую отраженной волны и чуть позже, в момент времени$3L/c$, другой детектор щелкнет. Итак, первое измерение детектора изменяет волновую функцию (в том же духе, что и в эксперименте Эйнштейна-Подольского-Розена, отличие состоит в том, что волновая функция там двухчастичная волновая функция).

Классически, если бы у вас был источник, излучающий свет во всех направлениях, на удвоенном расстоянии свет распространился бы на площадь, в четыре раза превышающую площадь. Таким образом, интенсивность будет в 1/4 меньше.

Для одиночного фотона путь, по которому он следует, соответствует волне вероятности. Есть некоторый шанс, что он достигнет вашего детектора, и некоторый шанс, что он промахнется. Чем больше расстояние, тем больше шансов, что он пропустит детектор.

Если оба детектора достаточно велики, чтобы фотон не промахнулся, то я думаю, вы должны получить равную вероятность того, что фотон будет обнаружен любым детектором, независимо от расстояния.

Помните, что светоделитель откалиброван. Если она не давала равновероятность при одинаковом расстоянии, то корректировалась до тех пор, пока не давала.