Могут ли наблюдения за запутанными частицами повлиять на их ненаблюдаемые аналоги?

Ник Реталлак

Могут ли наблюдения за запутанными частицами повлиять на их ненаблюдаемые аналоги?

Есть два эксперимента, которые часто используются для объяснения квантовой механики: эксперимент с двумя щелями и парадокс ЭПР. Мне любопытно, что произойдет, если вы объедините их.

Представьте себе эксперимент, в котором вы стреляете парами запутанных частиц в двух одновременных установках с двумя щелями. Если бы вы использовали детекторы, вы могли бы выяснить, как коррелируют пути запутанных частиц. Возможно, вы сможете сделать вывод, основываясь на результатах одного детектора, через какую щель прошла другая частица. Теперь, если вы проведете эксперименты с детектором с одной стороны и без детектора с другой, будут ли ненаблюдаемые частицы по-прежнему образовывать интерференционную картину, даже если вы знаете, через какую щель они прошли бы?

Моя интуиция подсказывает, что да. Несмотря на запутанность, частицы не должны иметь коррелированных действий, иначе мы бы изобрели связь со скоростью, превышающей скорость света. Вы могли бы создать устройство, которое постоянно стреляло бы запутанными частицами в сторону двух далеких друг от друга миров, и если бы один мир вдруг начал наблюдать за частицами на своей стороне, частицы, достигающие другого мира, мгновенно переставали бы создавать интерференционную картину.

Дэвид З.

Связано: physics.stackexchange.com/q/4353 и physics.stackexchange.com/q/4345 . Но я не думаю, что любой из них действительно является дубликатом. Мне нравится этот вопрос, он достаточно точно сформулирован.

БьорнВ

Эксперимент, очень близкий к предложенному эксперименту, был проведен аспиранткой Zeilingers Допфлер в 1998 году. Она использовала кристалл с понижающим преобразованием для создания пар запутанных фотонов в эксперименте типа квантового ластика с использованием двойной щели.

Один из членов прошел через двойную щель и был обнаружен детектором А, который сканирует пространство за щелями, чтобы увидеть, есть ли интерференционная картина или нет. Другой элемент проходит через линзу к другому детектору B, расстояние до которого до линзы может варьироваться (угол фиксирован). Перемещая детектор B в фокусе или вне фокуса линзы, другой член пары может быть обнаружен как проходящий через одну из щелей (в фокусе он «видит» щелевые отверстия) или информация о том, в каком направлении стирается (вне поля зрения). фокуса информация из обеих щелей объединяется).

Полезный способ взглянуть на эти экспериментальные установки — представить, что фотон испускается одним из детекторов, проходит в обратном направлении через эксперимент, через кристалл преобразования с понижением частоты с неизмененным импульсом и, наконец, поглощается другим детектором.

Таким образом, этот эксперимент описывается просто как линза + детектор B, либо наблюдающий за информацией о том, какая щель, либо не наблюдающий за другой частью эксперимента.

По словам Допфлера и Цайлингера , эксперимент удался, но с тех пор я ничего об этом не читал, и оригинал диссертации был извлечен из Интернета, но копию можно найти в интернет-архиве. Поскольку он использовал счетчик совпадений для увеличения отношения сигнал-шум между обоими детекторами, они на самом деле не продемонстрировали никакой сверхсветовой передачи сигналов, однако предполагается, что эксперимент может проходить без счетчика. Цайлингер называет концептуальную альтернативу пространственно-подобной сигнализации «ретропричинностью», я думаю, когда причина подобна времени в обоих путях после преобразования с понижением частоты, но движется назад в одном из них (как в упомянутом выше инструменте «притворства»).

Дж. Крамер , по- видимому, в настоящее время работает над уточнением этого эксперимента.

Ник Реталлак

Если это действительно правильный путь к передаче информации быстрее скорости света, я удивлен, что это не изучается более активно. Может, потому что это нецелесообразно? Я полагаю, что если свет может совершить кругосветное путешествие за миллисекунды, более быстрая отправка информации не так важна, пока мы не получим несколько космических колоний. Но тем не менее последствия кажутся важными.

Марк Ферни

Существует ряд работ, в которых изучается двухщелевая интерференция на уровне одиночных фотонов с использованием запутанных пар фотонов. В статье Scarcelli et al. https://arxiv.org/abs/quant-ph/0512207 проводит эксперимент с квантовым ластиком с отложенным выбором, используя призрачное изображение, настроенное для демонстрации классических интерференционных полос, когда информация о пути отсутствует, и отсутствия помех, когда информация о пути настоящее. В целом помехи присутствуют в данных как подмножество всех возможных обнаружений за счет использования полосового фильтра Фурье постоянного тока. Напротив, когда собраны все возможные совпадения, помех нет. Это странно!

В отличие от аналогичного эксперимента, опубликованного Reubin et al. https://arxiv.org/abs/1602.05987 , отличаясь только отсутствием фантомной линзы, выявляет классическую интерференционную картину при всех возможных совпадениях. Однако с одним принципиальным отличием. Им пришлось использовать фильтрацию оптических мод, чтобы добиться высокого качества интерференции.

В обоих случаях один фотон просто проходит через двойную щель и регистрируется.

Оба эти эксперимента представляют собой эксперименты по однофотонной интерференции с двумя щелями. Однако они раскрывают один часто упускаемый из виду аспект проведения таких экспериментов. Природа одиночного фотона.

Одиночные фотоны представляют собой одиночные возбуждения моды электромагнитного поля. Как квантовая частица они могут существовать в суперпозициях. Таким образом, они также могут представлять многорежимное состояние.

Когда мы рассматриваем двухщелевую интерференцию, часто подразумевается, что мы имеем дело с одномодовым возбуждением с четко определенной фазой на щелях. Это верно до макроскопического предела для когерентного одномодового лазера. Важность модового состава освещающего луча принципиально важна для наблюдения интерференции. Это всегда часть любого студенческого эксперимента с двойной щелью.

Однако на уровне отдельных фотонов о композиции мод, похоже, забывают.

Эксперименты, проводимые с использованием запутанных пар фотонов, часто не учитывают модовое качество пучка. Это было проиллюстрировано в статье Рубина и др., где они показали, что фильтрация мод необходима для получения хороших интерференционных полос.

В статье Скарчелли и др., призванной проиллюстрировать квантовый ластик с отложенным выбором, также используется фильтрация мод в их эксперименте с использованием переменных с окнами в плоскости преобразования Фурье.

Что не учитывается, так это влияние фильтрации на запутавшегося партнера. Два фотона, испускаемые кристаллом преобразования с понижением частоты, запутаны по импульсу. Это означает, что они эффективно запутались в модах. Когда вы применяете модовый фильтр к одному фотону на одном плече, вы ограничиваете интерференционную картину только теми фотонами, которые имеют одинаковую пространственную моду.

Таким образом, предполагаемые эксперименты с квантовым ластиком с отложенным выбором на самом деле просто иллюстрируют постизбирательную фильтрацию мод. Информация о том, «какой путь» не имеет значения в этих экспериментах, потому что коллапс волновой функции все еще происходит в детекторе или ПЗС во всех случаях. Просто в эксперименте есть возможность выбирать различные волновые функции, используя описанный здесь метод фильтрации коррелированных мод фотонов, где широкая невыразительная картина легко интерпретируется как распределение вероятностей, соответствующее многомодовому возбуждению.

Таким образом, эти эксперименты демонстрируют, что выбор режима запутанных фотонов действительно может влиять на результаты эксперимента с двумя щелями. Однако результаты тесно связаны с результатами фантомного изображения, продемонстрированными в статье Рубина и др., И в остальном окончательно не демонстрируют эффект квантового стирания с отложенным выбором.