Физики предложили эксперимент, в котором разные виды поляризации фотона детектируются только в разных плечах интерферометра в экспериментах с пост-селекцией. Работа опубликована в Physical Review Letters, а также на сайте для препринтов arxiv.org.
В своей работе Дебмалья Дас (Debmalya Das) и Удджвал Сен (Ujjwal Sen) из Научно-исследовательского института Хариш-Чандра предложили отделить два вида поляризации одного фотона друг от друга. Для этого они использовали такое явление как слабые измерения. Измерения в целом играют в квантовой механике огромную роль. Традиционно предполагалось, что процесс измерения представляет собой сильное взаимодействие квантовой (малой) частицы или системы с некоторой, очень большой системой (прибором), у которой очень много степеней свободы. Акт такого взаимодействия неизбежно модифицирует квантовый объект, переводя его в состояние с определенным значением той самой измеряемой величины. Теоретики называют это коллапсом состояния.
В 1988 году, однако, Якир Ааронов с коллегами обнаружили, что уже известные на тот момент законы квантовой механики допускают иную ситуацию. Она реализуется тогда, когда связь между квантовой системой и прибором достаточно слабая. В этом случае исходное состояние изменяется лишь слегка, но это приводит к большой неопределенности в показаниях прибора. Фактически, речь идет о компромиссе между точностью измерительной системы и влиянием на измеряемый объект. В частном случае, когда связь «система-прибор» кладется большой, слабые измерения сводятся к привычным, сильным измерениям.
Важно, что слабые измерения позволяют с некоторой точностью получить информацию о состоянии квантовой системы без ее разрушения. Это в последствии было использовано экспериментаторам для так называемой пост-селекции конечных состояний. Пост-селекция — это процесс, при котором мы проводим один и тот же эксперимент несколько раз и учитываем только те разы, в которых состояние частицы на выходе соответствует некоторому наперед заданному сигнальному состоянию. Это позволяет нам утверждать, что внутри экспериментов с пост-селекцией будут гарантированно выполняться те или иные соотношения между параметрами системы, которые нужны для исследования интересующих нас эффектов.
Для детектирования эффекта на вход интерферометра подавали фотон с горизонтальной поляризацией, а к качестве сигнального состояния при пост-селекции использовалось состояние суперпозиции вида |левый, горизонтальный > + |правый, вертикальный >. Такая пост-селекция приводит к тому, что вероятность найти (измерить) фотон в правом плеча равна 0, а в левом — 1, в то время как вероятность, что в правом плече будет обнаружена круговая поляризация равна 1, а в левом — 0. Таким образом, с точки зрения измерения кажется, что в правом плече интерферометра нет фотона, а в левом нет никакой поляризации.
Затем авторы описали способ, как менять «улыбку» и «рычание» местами. Для этого они предложили установить в каждом из плеч интерферометра поляризационные фазовращатели, которые синхронизированы друг с другом и могут быть переключены одновременно. Так же в одно из плеч был добавлен отдельный фазовращатель для управления разностью фаз между левым и правым плечами.
Экспериментаторы находятся всегда под контролем теоретиков и сделали вывод, что в такой схеме каждый вид поляризации как будто бы знает, по какому из плеч интерферометра распространяться, несмотря на то, что светоделитель установлен раньше, чем фазовращатели. Кроме того, теоретики приплели своего любимого сказочного “Чеширского кота” рычание которого они якобы увидели отдельно от его улыбки. Реально же, измерение наличия фотона, и измерение поляризации проводятся слабым образом путем многократного повтора опыта. В противном случае каждое измерение вызовет коллапс состояния и их одновременное измерение будет невозможно. Иными словами, результаты эксперимента это статистический результат,после светоделителя в каждом пучке есть фотоны разной поляризации и именно они, и то только частично (хорошо если 30%) и детектируются интерферометром.
*************
Экспериментаторы из Университета Глазго под руководством Хуго Дефина (Hugo Defienne) создали квантовую голограмму без прямого наложения двух световых волн, как они думали, а реально фотонов. Они полагали, что использовали взаимосвязь запутанных фотонов, чтобы получить необходимую для построения изображения информацию. Статья опубликована в журнале Nature Physics.
С помощью квантовой голографии уже была получена голограмма фотонов с неизвестной поляризацией, с фотонами эталонным и зарегистрировали, как наложились друг на друга их волновые функции.
Как и в оптических экспериментах, они использовали лазерный луч, который разделили на два пучка с помощью нелинейного кристалла. Кристалл позволил создать запутанные фотоны, находящиеся в связанных квантовых состояниях. Один поток фотонов попадал в пространственный модулятор света, содержащий изображаемый предмет. В качестве предмета использовали буквы «UofG» (аббревиатура названия университета) на жидкокристаллическом дисплее, а также кусочки скотча, капли силиконового масла и птичье перо.
Второй поток фотонов проходил через другой модулятор, чтобы избавиться от фазовых искажений, вызванных двулучепреломлением в нелинейном кристалле. Оба пучка после прохождения модуляторов попадали на цифровые камеры.
Ученые также провели измерения, добавив в систему помехи в виде постороннего рассеянного света. Это не помешало получить изображение с четкими контурами… И это самая важная часть эксперимента, конечно, не понятая экспериментаторами! Фотоны практически не взаимодействуют прямо друг с другом. Иначе бы вообще ничего бы видеть было бы нельзя. Был бы сплошной фотонный шум. Фотоны взаимодействуют через частицы вещества!