Вы абсолютно правы, сосредоточившись на аспекте обнаружения. Вас может удивить, что сообщество физиков было убеждено в существовании фотона с начала 20-х годов после эксперимента Комптона, но нам пришлось ждать до 70-х годов, чтобы действительно «увидеть» одиночный фотон. Итак, как мы можем продемонстрировать, что у нас есть один и только один фотон?

Фотон не может быть разделен

Хитрость заключается в использовании светоделителя, то есть наполовину посеребренного зеркала. Классическая световая волна, падающая на зеркало, будет видеть половину своей интенсивности отраженной, а другую половину прошедшей. Само определение фотона состоит в том, что его нельзя разделить. Таким образом, одиночный фотон будет либо отражаться, либо передаваться, но никогда не будет двигаться в обоих направлениях одновременно. Кроме того, чтобы соответствовать закону интенсивности, вероятности должны быть 50/50 для двух путей. Экспериментальную установку можно представить следующим образом.

Фотодетекторы достаточно быстрые, чтобы точно зафиксировать время обнаружения. Затем один строит количество щелчков в одном детекторе, а другой - как функцию задержки.$\tau$между щелчками. Мы ожидаем, что счет упадет до нуля, поскольку$\tau$стремится к нулю, если у нас действительно есть один фотон, поскольку он не может попасть в оба детектора одновременно. И наоборот, как$\tau$увеличивается, мы ожидаем, что это число щелчков будет расти по мере того, как временное окно станет достаточно большим, чтобы два или более последовательных фотона попали в разные детекторы. Именно это и показывают эксперименты. Вот сюжет из [KDM77]

Падение рядом$\tau=0$называется эффектом антигруппировки. Нулевое значение не достигается из-за экспериментальной неопределенности задержки, которая, следовательно, никогда не равна нулю. Таким образом, фактически в экспериментальной установке никогда не бывает только одного фотона. Этот эксперимент исключает чисто волновую теорию света по причине, указанной в начале этого ответа: невозможность объяснить, почему мы не получаем совпадающих щелчков независимо от задержки, поскольку половина волны пойдет по каждому пути, и каждая половина попадет соответствующий фотодетектор одновременно. Наоборот, результат явно предсказуем, если есть кванты света.

Следует отдать должное Клаузеру [Clau74] за первое исследование такого рода физики. Название этой статьи на самом деле показательно само по себе: оно может стать неожиданностью, поскольку нам широко говорили, что Эйнштейн доказал существование фотона в этом самом фотоэлектрическом эффекте в своей знаменитой статье 1905 года, но, как хорошо объясняет Клаузер, в его введении это на самом деле не так. Эта тема на самом деле была тщательно обсуждена в этом вопросе и ответе по физике здесь : особенно см. ответ, написанный @ArnoldNeumaier, но на странице есть много хороших аргументов и ссылок. Еще одна иллюстрация печального разрыва между преподаванием и популяризацией физики, с одной стороны, и реальной физикой, с другой стороны, но я отвлекся.

Следует отметить, что аргументы, выдвинутые этим типом эксперимента, в некотором смысле аналогичны примеру дифракционной картины, построенной по одному фотону за раз, приведенному в ответе @annav: мы могли бы сказать, что стиль эксперимента Клаузера различает временно, в то время как дифракция по одному за раз различает пространственно, как в чисто волновой теории света, каким бы слабым ни был входящий сигнал в дифрактометре, некоторая интенсивность будет достигать каждой точки экрана.

Вестник

После этих экспериментов исследователи искали способ убедиться, что в оптической системе находится только один фотон и только один фотон. Требовалась какая-то новая идея, как видно из следующего аргумента: даже если задержка$\tau$сделан настолько маленьким, что совпадающий счет на обоих детекторах только от одного фотона, мы бы знали только, что один фотон был в оптической системе. Вместо этого мы хотели бы знать, что один фотон попадет в оптическую систему, чтобы затем наверняка провести над ним различные эксперименты. Две команды совершили прорыв в 1986 году: Хонг и Мандель [HM86], с одной стороны, и Гранжье, Роджер и Аспект [GRA86], с другой. Их эксперименты можно резюмировать следующим образом:

• источник, производящий два луча света (спина к спине для Гранжье и др., на двух концентрических конусах для Хонга и др.; физические процессы в работе совершенно разные, но это не имеет значения на уровне данного изложения);
• оптическая система для направления одного луча на оптический путь P, заканчивающийся фотодетектором A, а другого — на другой оптический путь Q.

Идея состоит в том, что если источник на самом деле является источником пар фотонов, так что каждый фотон из пары испускается почти в одно и то же время, то прибытие одного фотона на A гарантирует, что есть один фотон и только один фотон на A. путь Q. Таким образом, фотон, прибывающий в А, является «вестником» другого, отсюда и название этой техники — предвестник. Но теперь вы можете сказать, что мы вернулись к предположению об одиночных фотонах, но на самом деле обе команды провели дополнительный анализ, убедительно указывающий на этот вывод.

Классическая волновая теория исключена

Гранжье и др. добавили один элемент: на пути Q они поставили светоделитель, посылающий отраженный луч на фотодетектор B', а прошедший - на другой фотодетектор B'' в установке, аналогичной эксперименту Клаузера выше. Но здесь попадание в A открывает B' и B'' для подсчета на короткое время.$w$около 10 наносекунд (мы говорим, что B' и B'' управляются A). Затем они выполнили три подсчета: частота попаданий$N$на,$N'$на Б',$N''$на B'', и совпадающая частота попаданий$N_c$на Б' и Б''.

Предсказание квантовой оптики в терминах пар фотонов легко увидеть: поскольку число фотонов$Nw$попадание A во время ворот уменьшается в сторону 0, количество фотонов, достигающих светоделителя, также уменьшится, в сторону 1. Затем, рассуждая так же, как и для эксперимента Клаузера выше, мы заключаем, что количество совпадающих фотонов$N_cw$уменьшится до 0, тогда как количество фотонов, попадающих в B и B' соответственно, уменьшится до 1.

С другой стороны, Гранжье и др. рассматривали предсказание классической волновой теории. Можно показать, что ставки должны удовлетворять следующему неравенству:

Поэтому они построили соотношение$\alpha$из двух частей этого неравенства

по количеству попаданий$Nw$во время открытия ворот А. Квантово-механическое описание предсказывает, что$\alpha$переходит в 0 как$Nw$переходит в 0, как мы только что объяснили. Вот их результат:

Пунктирная линия — классический предел$\alpha=1$, кривая — полное квантово-механическое предсказание с учетом всех экспериментальных деталей, а штрихи — измерения. Совершенно очевидно, что классическое поведение исключается, тогда как квантово-механическое подтверждается данными.

Гранжье и др. не смогли сделать большего, потому что их пары фотонов имели слишком широкое распределение задержки между излучением каждого члена пары: половина пар испускала свои фотоны с интервалом не менее 5 наносекунд. До Хонга и его коллег дошло, что они действительно доказали, что у них есть только один фотон.

Наконец-то один фотон

То, что сделали Хонг и Мандель, концептуально намного проще: в своей установке они поместили один фотодетектор B на путь Q. Затем, когда A срабатывает, он открывает ворота на B на 20 нс. Затем они подсчитывают количество$m$попаданий в точку B, когда ворота открыты. После многих повторений они получают раздачу за$m$. Эффективность фотоприемника B для большинства затворов невелика,$m=0$. затем$m>2$почти равен нулю. С количеством раз$m=1$было получено, они могли бы затем вычислить в обратном порядке число фотонов, попадающих в В, когда срабатывает А. Их результат был:$1.06\pm10\%$! Их преимущество перед Гранжье и др. заключалось в том, что два фотона каждой пары излучались менее чем за 100 пикосекунд, т. е. в 10 раз быстрее (они измерили это в другом эксперименте).

Куда идти дальше

По сути, я ответил только на ваш второй вопрос о том, как убедиться, что у нас есть одиночные фотоны. Я частично ответил на ваш первый вопрос, так как на практике можно использовать провозглашение одиночных фотонов, как объяснялось. Но с 80-х годов появилось несколько новых методов производства фотонов по запросу, очень схематично, которые предотвращают излучение источника до тех пор, пока с ним не будет произведено какое-либо действие. Существует множество методов, основанных на отдельных атомах, ионах или молекулах, на так называемых квантовых точках , на так называемых центрах окраски (в алмазе) и т. д. можно найти в [EFMP11], и я лениво укажу на него читателям, бессовестно опустив мяч сюда!

[Clau74] Джон Ф. Клаузер. Экспериментальное различие между квантовым и классическим предсказаниями теории поля для фотоэлектрического эффекта. физ. Ред. D , 9 :853–860, февраль 1974 г.

[KDM77] Х. Дж. Кимбл, М. Дагенайс и Л. Мандель. Антигруппировка фотонов в резонансной флуоресценции. физ. Преподобный Летт. , 39 : 691–695, сентябрь 1977 г., авторская электронная почта .

[HM86] С. К. Хонг и Л. Мандель. Экспериментальная реализация локализованного однофотонного состояния. физ. Преподобный Летт. , 56 : 58–60, январь 1986 г ..

[GRA86] П. Гранжье, Г. Роджер и А. Аспект. Экспериментальное свидетельство антикорреляционного эффекта фотонов в светоделителе: новый взгляд на однофотонные интерференции. Еврофиз. лат. , 1 (4):173, 1986 , авторская электронная почта .

[EFMP11] М. Д. Эйсаман, Дж. Фан, А. Мигдалл и С. В. Поляков. Приглашенная обзорная статья: Однофотонные источники и детекторы. преподобный наук. Инструм. , 82 (7): 071101, 2011 , электронная печать NIST .

Обратите внимание, что поставленный вопрос касался создания одиночных фотонов, а не их уничтожения . Таким образом, обсуждение обнаружения фотонов не имеет отношения к заданному вопросу.

В лаборатории производятся два вида одиночных фотонов: «фотоны по требованию» (см., например, раздел 2.13 http://lanl.arxiv.org/pdf/0810.1019v2 ), которые действительно являются одиночными, и «предвестники фотонов» . (см., например, https://arxiv.org/pdf/quant-ph/0408093 ) — запутанные фотонные пары, из которых один партнер детектируется, так что известно (после времени детектирования), что другой партнёр сейчас не замужем. Есть много статей, в которых обсуждаются детали; две приведенные ссылки являются лишь верхушкой айсберга. Погуглите термины в кавычках, чтобы найти еще много ссылок....

В этом эксперименте с двумя щелями используются одиночные фотоны.

В 2003 г. А. Вайс и Р. Винандс из Боннского университета (Германия) разработали лекционный демонстрационный эксперимент по интерференции одиночных фотонов через двойную щель. Свет от лазерной указки был настолько сильно ослаблен, что в каждый момент времени между двойной щелью и детектором находился только один фотон. Дифрагированный свет регистрировался однофотонной камерой, состоящей из усилителя изображения (многоканальная пластина, МКП), затем люминофорного экрана и ПЗС-камеры. При сложении последовательных кадров камеры наблюдается постепенное появление гладкой классической интерференционной картины.

Каждая точка — это след одного фотона. Площадь, охватываемая следом, намного меньше, чем площадь лазерного луча, проходящего через две щели (что характеризует классический лазерный луч), что видно по их распространению. Это след, который классическая частица должна оставить на интерактивной плоскости. Это ясно показывает сторону частиц квантово-механической сущности, называемой «фотоном». Накопленная интерференционная картина представляет собой квантово-механическое распределение вероятности обнаружения, а также классическую интерференционную картину лазерного луча.

Это видео также является поучительным.] 3

Ты спрашиваешь :

Как люди могут убедиться, что они действительно создали единственный фотон? Исключая другие возможности, из которых мог исходить сигнал, и повторяя эксперимент до тех пор, пока не будут найдены оптимальные параметры. В приведенном выше эксперименте интенсивность лазерного луча медленно уменьшалась до «отсутствия сигнала», до «однократного попадания».

Изменить после прочтения обсуждений :

О чем никто не упомянул, так это о фотонах высокой энергии. Для их обнаружения и измерения энергии и направления большие сложные электромагнитные калориметры улавливают треки, которые взаимодействуют в детекторе и излучают большое количество электромагнитной энергии в виде электронов и фотонов. Вот два фотона, как в этой ЦМС реконструкция событий по измерениям в детекторе.

Событие-кандидат Хиггса в гамма-гамму.

Это две зеленые гистограммы после экстраполированной пунктирной линии, соединенной с вершиной события. Они идентифицируются как фотоны, потому что в детекторах слежения нет сигнала, и в электромагнитном калориметре внезапно выделяется электромагнитная энергия.

Построив черенковские детекторы, я имел опыт работы с одиночными фотонами: например, минимальная ионизирующая частица в воздухе будет производить несколько фотонов на метр из-за сцинтилляции. Затем одиночный фотон регистрируется в черенковском фотоумножителе как фоновый шум.