Могут ли отдельные фотоны создать голограмму с течением времени

Ответ «да», голограмму можно сделать по одному фотону за раз. Эксперимент сделан. Конечно, это очень медленный процесс. В первом таком эксперименте, о котором я читал, использовалась фотоэмульсия для захвата изображения в течение длительного периода времени. Использовалась стандартная установка для записи трехмерных голограмм. Лазерный луч ослаблялся до тех пор, пока в голографической установке не могло одновременно находиться в среднем менее одного фотона, а фотоэмульсия фиксировала положение каждого фотона в плоскости записи голограммы. (Я ищу газету и опубликую ссылку, когда найду ее.)

Современные детекторы, считающие фотоны, делают это немного проще; и в последние годы были разработаны некоторые излучатели одиночных фотонов по запросу. Некоторые ключевые слова, которые вы могли бы использовать в поиске Google, это «голография одиночных фотонов» и «голография подсчета фотонов».

Однако вот где проявляется странность квантовой механики: для того, чтобы голограмма была записана, для каждого фотона в записи должно быть невозможно знать или даже вычислить, какой путь выбрал фотон (путь объекта или путь объекта ) . справочный путь). Если что-то предпринять для контроля или определения того, какой путь проходит каждый фотон, интерференционной картины не будет. Таким образом, если вы очень быстро переворачиваете зеркало, чтобы попеременно направлять отдельные фотоны вниз по эталонному или объектному пути (вместо использования, например, светоделителя), то вы не сможете сформировать голограмму, потому что можно будет узнать, какой путь прошел каждый записанный фотон. определяя время его прибытия.

Таким образом, ответ на вопрос — «да» с оговоркой: пока нет способа узнать, по какому пути пойдет каждый фотон, тогда да, будет сформирована голограмма. Вопрос на самом деле очень хороший, потому что для полного ответа необходимо исследовать некоторые увлекательные темы, такие как фотон (а не простой ответ, что это пакет электромагнитной энергии), как работает « визуализация на основе ЭПР » и даже эта странная бумага .

Если вопрос изменить так, чтобы позволить каждому фотону «самостоятельно решить», выбрать ли путь объекта, опорный путь или и то, и другое — и запретить все, что позволяет узнать, какой путь он выбрал, — тогда вопрос еще есть интересный контент. Что, если эталонный путь намного длиннее эталонного пути, поэтому мы «знаем», что любые возникающие помехи возникают между «чем-то», что было излучаемо в разное время?

Оказывается, когерентность, например, гелий-неонового лазера — это не просто длина когерентности в несколько дюймов, описанная в большинстве спецификаций. На самом деле когерентность является периодической. В течение нескольких дюймов до и после целого числа, кратного длине резонатора лазера (обычно порядка нескольких футов), когерентность возвращается. Таким образом, фотоны, испускаемые сейчас, точно идут в ногу с фотонами, испускаемыми через временные интервалы, определяемые длиной резонатора лазера. Если объектный и эталонный лучи различаются по длине пути в 3, 6 или 10 раз больше длины резонатора, плюс или минус величина, меньшая, чем традиционно вычисляемая длина когерентности, то голограмму все же можно записать. По сути, каждый фотон распространяется на расстояние в несколько метров и на соответствующий отрезок времени.

Таким образом, может быть очень трудно, даже когда лазерный луч ослаблен настолько, что типичные расчеты говорят нам, что в установке одновременно присутствует только один фотон, быть уверенным, что волновые функции сотен фотонов не присутствуют в установке. установку одновременно.

Если вы возьмете уже записанную на пленку голограмму, будете пропускать одиночные фотоны и накапливать результаты на пленке, т. е. поместить пленку, где голограмма формируется в пространстве, картина, записанная на пленке, будет одинаковой для одиночных фотонов при время, или луч, просвечивающий миллионами одновременно. Это будет двумерная запись, концептуально похожая на интерференционную картину двойной щели с отдельными фотонами за раз.

Одиночные фотоны, отражаясь от объекта, не могут образовать голограмму. Это связано с тем, что для получения голограммы фазы фотонов, составляющих световой пучок, должны быть зафиксированы. Есть одна огромная волновая функция с миллионами фотонов, фазы которой записаны в голограмме. При рассеянии от объекта для создания голограммы фазы сохраняются с дополнительной информацией, поступающей от рассеяния от объекта. Есть согласованность.

Отдельный фотон не может иметь фиксированную фазу с последующим отдельным фотоном, следующим за ним после рассеяния на объекте. Фаза между ними теряется из-за «одиночного» требования.

В уже записанную голограмму вписана информация о фазе, поэтому фотон, рассеивающийся на ней, следует волновой функции, построившей голограмму.

Изменить после комментариев .

У каждого фотона своя волновая функция.

Обратите внимание на мнимую часть. Все эти волновые функции, наложенные друг на друга, образуют классическую электромагнитную волну, в которой реальные поля E и B волны складываются из полной$Ψ^*Ψ$пучка. При рассмотрении фотонов фазы находятся между волновыми функциями отдельных фотонов. В лазерном луче фазы фиксированы, и при рассеянии от объекта поглощение и отражение отдельных фотонов происходит синхронно и может быть записано на пленочном носителе, что дает фильтр (миллионы «двух щелей»), который будет воспроизводить изображение как голограмма.

Таким образом, для правильной записи голограммы фазы не должны теряться. Тогда это зависит от того, является ли процесс генерации когерентным во временном интервале, когда производится один фотон за раз, так что время между ударами не имеет значения. На мой взгляд, будут различия, вносимые контекстом, как обсуждалось в ответе здесь, о когерентности одиночных фотонов.

Это настоящая квантовая декогеренция (светового состояния), и трудно сказать, каким именно будет экспериментальный результат. Если весь экспериментальный набор действительно инвариантен во времени, так что вероятности каждого чистого состояния в смеси постоянны, то ответ на ваш вопрос будет точно таким же, как когда мы говорили о энергетическом спектральном разбросе в чистых квантовых состояниях: вероятности единичных событий обнаружения при низких уровнях освещенности будут точно отражать интенсивность высоких уровней освещенности. Но на практике такой временной инвариантности добиться очень трудно. Вы обнаружите, что понятие длины когерентности очень и очень трудно точно измерить, потому что результат будет сильно зависеть от времени интегрирования, частотных характеристик, площади поверхности и т. д. в ваших детекторах и обрабатывающей электронике. Ты'

Итак, мой ответ отражает последнюю часть выше, что в целом когерентность будет потеряна на стадии одного фотона. Эксперимент покажет пределы создания голограммы по одному фотону за раз.