Квантовое стирание опыт юнга. Вопрос о квантовом стирании данных

Стараюсь максимально просто объяснить чтобы и самому понять.

В опыте Томаса Юнга 1803 года фотоны света пролетали через одну или две щели в преграде и оставляли след на экране. При пролете через одну щель фотоны оставляют одну полоску на экране напротив щели. А при пролете через две щели фотоны проявляют себя как волна, потому что на экране возникает так называемая "интерференционная картина", которая может возникать при наложения двух волн одинаковой частоты, исходящих из 2-х точек (или щелей). Она представляет собой чередование ярких и светлых полос.

Яркие полосы там где гребни волн налагаются друг на друга, а темные - где верхний гребень одной волны налагается на нижний гребень другой (противофаза).

Тогда ученые поняли впервые, что фотон - волна. Давно это было. Позже тоже самое выяснилось и о электроне и многих других частицах.

Чтобы в этом точно убедиться, этот опыт, по мере развития техники, усовершенствовали до такой степени, что смогли стрелять не пучком электронов, а отдельными электронами. И оказалось, что каждый отдельный электрон создавал на экране интерференционную картину как будто он волна.

Все бы было так просто, если бы кому-то не пришло в голову понаблюдать , через какую из 2 щелей пролетел каждый электрон. И под наблюдением, к изумлению ученых, на экране появились две полоски (то есть, электроны вели себя как частицы - каждый раз пролетали только через одну щель).

Что значит "наблюдать"? Это значит, возле каждой щели ставился специальный датчик, который подавал сигнал, если именно через его щель пролетала частица.

Получается 2 возможных варианта объяснения:

1. "Мистический": Поведение электрона зависит от того, ведется ли за ним наблюдение или нет.

2. "Естественный": на электрон влияет то техническое устройство ("датчик"), которое фиксирует, через какую щель пролетает частица.

К еще большему удивлению ученых выяснилось, что результат одинаков для разных видов датчиков, точнее, для разных технологий наблюдения и для разных частиц. То есть, любое наблюдение одинаково влияет на поведение. Независимость от способа наблюдения усиливала подозрение в пользу мистического варианта объяснения как будто важен сам факт наблюдения, а не влияние прибора.

Чтобы разобраться с этим, решили усложнить опыт так, чтобы полностью исключить влияние датчика. Каким образом? Поставили эксперимент так, чтобы датчик пролета частицы через щель срабатывал ПОСЛЕ того , как частица уже проявила себя либо как частица, либо как волна, оставив соответствующий след на экране.

И вот именно тут произошло подтверждение мистического объяснения. Оказалось, будущие действия влияли на прошлые события. Если показания с датчика считывались после прилета частицы на экран, то оказывалось, что частица не вела себя как волна. А если не считывались - то на экране оставался след от волны.

Вот об этом из Википедии https://goo.gl/iJrYUv:

Основной результат эксперимента заключается в том, что не имеет значения, был процесс стирания выполнен до или после того, как фотоны достигли экрана детектора (и заявили о себе либо как частица либо как волна)

«Вы действительно верите в то, что Луны нет на небе, пока мы не взглянем на неё?»

А теперь подробнее. Как технически проводится эксперимент?

Каким образом можно установить датчик, до которого частица долетит после того, как она уже прилетела на экран? Разве такое возможно? Раз прилетела на экран, то, дальше никуда не летит.

Для начала надо познакомиться с важнейшим понятием квантовой механики "запутанная пара ".

Это 2 частицы, которые появились в результате одного события, и, находясь на любом расстоянии друг от друга , обладают взаимосвязанными свойствами таким образом, что изменения какого-либо параметра одного члена запутанной пары очень быстро влияют на этот же параметр другого фотона, даже, если он находится на другом краю вселенной.

Что такое "очень быстро"? Это, по крайней мере, в 100 000 раз быстрее скорости света!!! (А, возможно, эта скорость передачи информации внутри запутанной пары вообще... бесконечна!!! Просто у науки пока нет инструментов для измерения таких скоростей).

Напоминаю, до экрана частица долетает раньше чем до датчика. Но, долетев до экрана в лаборатории на Земле, она уже "знает" будет ли включен датчик, даже если он стоит на Луне. В этом заключается мистический элемент.

Сразу возникает желание включить или выключить датчик после того, как частица уже прилетела на экран. Но это не возможно. Поскольку датчик стоит в этом эксперименте дальше экрана, то любой сигнал на его включение будет идти некоторое время не выше скорости света. И наша команда дойдет до него в идеальном случае одновременно с фотоном, а в реальности всегда хотя бы на мгновение дольше.

Теперь не важные, но любопытные технические детали эксперимента.

(Иностранное слово "Ластик" - это аналог стирательной резинки, то есть, средство удаления информации).

Данные стираются квантовым методом. Это называется "Эксперимент квантового ластика ".

А теперь самое интересное. У этого эксперимента есть вариант с возможностью удалить информацию "после того как", после того как фотон достигнет экрана. И о чудо! Выяснилось, что если метку стереть уже "после того как", то, это стирание влияет на след на экране, оставленный ранее! То есть, будущее действие повлияло на прошлое событие.

Этот вариант эксперимента называется "Эксперимент квантового ластика с отложенным выбором ".

Как создается запутанная пара фотонов? В начале, фотон пропускается через кристалл бета-бората бария (BBO), который преобразует единичный фотон в пару запутанных фотонов пониженной частоты, сигнальный и холостой, которые летят в разные стороны.

Последний технический вопрос. Каким образом ставится и снимается метка с частиц?

Это зависит от каждого типа частиц. Например, фотоны могут имеют поляризацию. Перед каждой прорезью в двухщелевой пластине помещается поляризатор, выполняя поляризацию по часовой стрелке для света, проходящего через одну щель, и против часовой стрелки для света, проходящего через другую щель. Эта поляризация регистрируется на датчике, "маркируя" таким образом фотоны и разрушая интерференционную картину.

Наконец, линейный поляризатор устанавливается на пути первого запутанного фотона из пары, придавая ему диагональную поляризацию (см. рис. 2). Запутанность гарантирует дополнительную диагональную поляризацию у второго фотона, который проходит через двухщелевую пластину. Это нивелирует влияние круговых поляризаторов: каждый фотон будет давать смесь света, поляризованного по часовой стрелке и против неё. Следовательно, второй детектор больше не может определить, какой именно путь был выбран, и интерференционная картина восстанавливается.

Вот вопрос, который я буду задавать специалистам:

Здравствуйте!

Если стирать метку с "холостого" фотона запутанной пары ПОСЛЕ того как его "сигнальный" фотон уже долетел до детектора, то, восстановится интерференционная картина, которую создает сигнальный фотон?

Если отвечают "ДА", то будущее управляет прошлым. Если нет, то не управляет. Но, правильный ответ "ДА". Это результат эксперимента. Но не порядочным ученым не нравится сам факт влияния будущего на прошлое, и они будут словоблудить, признавая-отрицая оно и тоже.

Я одного такого молодого русского физика вызвал на публичную дискуссию. Публично он отказался, а в личной переписке ходил по кругу, то признавая, то отрицая то, что признавал и постоянно меня унижал всякими намеками на мою тупость и суеверие.

Рассмотрим квантовое стирание для фотона, где маркером пути является его поляризация.

На рис. 10, а источник S испускает одиночные фотоны, плоско поляризованные в направлении h , перпендикулярном рисунку. Фотон в виде волны проходит через щели 1 и 2 и регистрируется детектором D , который сканирует область регистрации, поперечную оптической оси. В результате прохождения через установку большого числа фотонов возникает интерференционная картина.

Рис. 10 . Квантовое стирание локализации фотона

Перед щелью 1 устанавливаем полуволновую пластинку E , показанную на рис. 10, б . Она поворачивает плоскость поляризации на
в направленииv и является маркером пути фотона через щели. Фотоны с взаимно перпендикулярными поляризациями проходят через разные щели, между собой не интерферируют, интенсивности излучений складываются, получается распределение света на экране регистратора, показанное на рис. 9, б .

Стираем информацию о пути фотона, устанавливая перед регистратором анализатор G с углом поляризации
. Анализатор проектирует на свою ось вектора электрических полей, прошедших щели 1 и 2. Выходящие из анализатора поля имеют одинаковые направления и уменьшенные в два раза интенсивности согласно закону Малюса.

.

Информация о путях фотона через щели стерта, он оказывается волной, проходит одновременно через две щели, интерференция восстанавливается, как показано на рис. 10, в .

Особенностью рассматриваемых процессов является то, что все действия производятся над одиночным фотоном.

По поводу квантового стирания возникает вопрос: как «узнает фотон» во что ему превратиться – в частицу, и проходить через одну щель как на рис. 10, б , или в волну, и проходить одновременно через две щели, как на рис. 10, в ? Ведь место, где должен быть сделан выбор, расположено до щелей, а место, где реально этот выбор делается, расположено после щелей – там, где ставится или не ставится анализатор. Причина и следствие поменялись местами? Ответ на этот вопрос связан с квантовой нелокальностью микрообъекта.

Квантовая нелокальность

Классические представления основаны на локальности объекта и отсутствии дальнодействия , когда характеристики объекта существуют до измерения, а взаимно удаленные измерительные приборы не влияют на изучаемый объект и на показания друг друга. Эйнштейн, Подольский и Розен в 1935 г. сформулировали парадокс ЭПР, который, как они считали, опровергает полноту описания явлений при помощи квантовой механики. Эксперименты с интерферометрами, проведенные в конце ХХ века, подтвердили выводы квантовой механики и поставили под сомнение принцип локальности объекта.

Интерферометр – устройство, где проявляются волновые свойства объекта. Модификация конструкции интерферометра позволяет преобразовать поведение микрообъекта из волнового в корпускулярное и наоборот. Если это происходит в процессе движения объекта через интерферометр, то изменение поведения объекта называется задержанным выбором состояния в виде частицы или волны. Опыт теоретически разрабатывал Уилер с 1978 г. по 1983 г. Эксперимент с фотонами реализовал V. Jacques et al . в 2006 г. (Science 315 , 966 (2007)), используя интерферометр Маха–Цендера. Подобный эксперимент с атомами гелия выполнен в 2015 г., также подтвердивший предсказания квантовой механики.

Джон Арчибальд Уилер (1911–2008)

В интерферометре Маха–Цендера, показанном на рис. 11, а , одиночный фотон направляется от источника S к делителю B 1, который содержит полупрозрачное зеркало, напыленное на стеклянную пластинку. Фотонодержит полупрозрачное зеркало, показанное на рисунке 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 проходит B 1 в прямом направлении, или отражается вниз, с вероятностями
и поступает в канал 1 или 2. Отразившись от зеркалM 1 и M 2, фотон проходит делитель B 2, аналогичный B 1, и регистрируется детектором D 1 или D 2. Делители расположены так, что обеспечивается одинаковый оптический путь фотона к детектору для каждого канала. Зеркала M 1 и M 2 сдвигают фазы в каждом канале на одинаковую величину, что не влияет на разность фаз и в формулах не учитывается.

Рис. 11 . Интерферометр Маха–Цендера

Из рис. 11, а получаем амплитуды вероятности прохождения фотона по двум каналам к детекторам:

–амплитуда прохождения делителя
;

–амплитуда отражения от делителя
.

При отражении теряется фаза
, тогда
. Получаем вероятности срабатывания детекторов

,

. (3)

Следовательно, при прохождении фотона одновременно по двум каналам в виде волны срабатывает только детектор D 2.

При убранном делителе B 2 интерферометр показан на рис. 11, б . Фотон попадает к детектору D 1, проходя по каналу 1, и к детектору D 2, проходя по каналу 2. Из рис. 11, б получаем

,

,

. (4)

Рис. 11 . Интерферометр Маха–Цендера

Следовательно, срабатывания детекторов равновероятны. Активизированный детектор указывает канал, по которому прошел фотон. Он распространяющаяся лишь по одному из возможных каналов, интерференция отсутствует. Фотон ведет себя как классическая локализованная частица. Удаление второго делителя превращает фотон в частицу .

В эксперименте с задержанным выбором V. Jacques et al . использовали интерферометр Маха–Цендера со световодами в каналах 1 и 2 протяженностью 48 м. Свет проходит это расстояние за 160 нс. Квантовый генератор случайных чисел меняет состояние делителя B 2 – удаляет его из схемы, или подключает, за 40 нс. Два события – прохождение фотоном первого делителя и манипуляция со вторым делителем, разделены пространственно-подобным интервалом, что исключает возможность передачи информации о состоянии второго делителя к фотону, проходящему первый делитель. В рамках классической физики судьба фотона решается на первом делителе – он идет по одному каналу как частица, или одновременно по двум каналам как волна. Эксперимент подтвердил результаты квантовой механики (3) и (4), основанные на том, что все решается наличием или отсутствием второго делителя. Тогда в рамках классической физики возникает вопрос – как «узнает» фотон во что превратиться – в волну или частицу, если о подключении или удалении второго делителя можно узнать лишь после того, как фотон прошел первое разветвление каналов, где решается его судьба? Из изложенных особенностей квантового поведения следует, что до момента срабатывания детектора фотон остается суперпозицией волны и частицы . Как сказал Клышко – «фотон является фотоном (то есть локазизованной частицей), если это – зарегистрированный фотон». Для незарегистрированного фотона факт суперпозиции волны и частицы подтвердили последующие эксперименты, где второй делитель используется в квантовом режиме в виде суперпозиции состояний подключенного и отключенного элемента оптической схемы. Следовательно, незарегистрированный фотон не локализован в пространстве-времени, но присутствует во всех каналах одновременно и реагирует мгновенно на изменения в конструкции устройства, где бы эти изменения ни проводились . Такое поведение микрообъекта называется квантовой нелокальностью , и это можно рассматривать как нахождение вне пространства-времени . Регистрация частицы локализует ее и переводит в пространство-время. Другие варианты объяснения проведенного эксперимента требуют нарушения постулата специальной теории относительности о невозможности перемещения со скоростью, превышающей скорость света, или нарушения принципа причинности о запрете опережающего сигнала. Использовать квантовую нелокальность для передачи информации со сверхсветовой скоростью невозможно из-за вероятностного характера квантовых процессов, отображающихся в пространстве-времени.

Картинка для привлечения внимания, но относящаяся к теме.
Привет, хабр!
Хотите немного размять свои мозги? «Жили-были древние греки. Хорошо жили, потому что вместо них трудились рабы. И было древним грекам очень скучно: работать не привыкли, заняться нечем. Смастерили лиру для музицирования, придумали театр, геометрию, математику, философию и прочие науки, а развлечений всё равно не хватало.
И тут на помощь страждущим пришёл Зенон Элейский с его так называемыми апориями - парадоксами, предназначенными для изрядной нагрузки на мозги современников.

Современники возрадовались: теперь можно было не просто бездельничать, а долго и упорно размышлять над предложенными парадоксами, которые, к тому же, отчасти оправдывали лень».

В самом деле, если движения не существует в принципе, то зачем зря стараться, куда-либо идти и что-то делать, достаточно просто лежать на травке под акациями и мудрствовать лукаво над тайнами Вселенной.
Заинтересовало? Добро пожаловать под хабракат (привёл несколько ссылок на учебники квант.физики).
Почему движения не существует? Сие умозаключение проистекает из знаменитого парадокса, названного «стрела Зенона». Суть в том, что стрела в полёте остаётся неподвижной в каждый отдельно взятый момент времени. Как на фотографическом снимке. Значит, на самом деле… никуда не летит. А если и летит, то только с точки зрения наблюдающих за ней.

В 1958-м году в СССР о данном парадоксе вспомнил Леонид Халфин. В отличие от древних греков, Халфин занимался делом - исследовал вопросы квантовой физики. И выдвинул совершенно мистическую гипотезу. Сначала перескажу её «птичьим» языком. При условии дискретности энергетического спектра , распад квантовых состояний зависит от частоты измерений напрямую. Если наблюдать за нестабильной частицей достаточно часто, то она не распадётся вообще.

Теперь - нормальным языком. Если на нестабильную частицу никто не смотрит, то она обижается от отсутствия внимания к своей персоне и распадается. Но не распадётся до тех пор, пока хоть кому-нибудь интересна. Ибо сам факт наблюдения способствует продлению существования наблюдаемой сущности. Стрела Зенона является летящей до тех пор, пока мы видим, как она летит.

Через двадцать лет американцы решили продолжить исследования своего советского коллеги. В частности, физики Джордж Сударшан и Байдьянат Мизра. Именно они в 1978-м обозначили явление как «Квантовый парадокс Зенона», назвав так свою статью. А в 1989-м поползли слухи о том, что сей эффект якобы подтверждён экспериментально. Видимо, кто-то очень долго пялился на кванты, не позволяя им кануть в небытие.

Оказывается, действию эффекта подвержены не только квантовые состояния чего бы то ни было, но даже распад радиоактивных частиц. Якобы частица то ли распадается медленнее, то ли становится вообще вечной, если рядом с ней поместить счётчик Гейгера или подобный датчик.

Жаль, не хватило датчиков, дабы завалить ими Чернобыльскую АЭС и таким образом ликвидировать последствия аварии…"

Вот так пишут гуманитарии для гуманитариев. Про выводы я помолчу, если захотите, сами прочитаете
Но там вспомнили про то, что Тесла верил в теорию эфира, говорят, что она верна, что теорию относительности ещё не доказали и что один никому не известный советский учёный всё уже доказал: «Учёные просто зарабатывают на коллайдере».

Ох, в действительности, подобное поведение следует из уравнения Шрёдингера.
Если рассматривать вероятность распада радиоактивной частицы, как мы привыкли: w=1 - exp(-t/T), то вероятность распада, если мы измеряем N раз - не меняется.
w=1 - exp(-t/NT)^N=1 - exp(-t/T).
Если же мы будем рассматривать поведение волновой функции в том же процессе, используя уравнение Шрёдингера, то мы увидим зависимость от числа измерений. Более того, при устремлении числа измерений к бесконечности (непрерывном измерении) частица не будет распадаться.

Есть ещё более простое объяснение, без математики, следующее из работ Джона фон Неймана, в частности из гипотезы о существовании редукции фон Неймана(коллапс волновой функции) . Это явление мгновенного изменения волновой функции при измерении на собственный вектор.
Поэтому, если часто производить измерения, время на то, чтобы изменить состояние уменьшается, квантовая частица остаётся в своём состоянии.

К примеру, частица может перейти в возбуждённое состояние, тогда наблюдение уменьшит вероятность перехода.
Более сложный и интересный пример: атом переходит из возбуждённого состояния (1) в ещё более высокоэнергетичное (2), откуда может перейти в основное состояние (3) с испусканием фотона определённой частоты. Даже возможность наблюдать этот фотон, не обязательно его наблюдение, говорит о том, что чем вероятнее переход 2-3, тем менее вероятен переход 1-2. Можете прочитать это

Эффект может быть применим для «заморозки» атома в нужном квантовом состоянии, чтобы квантовый компьютер мог считывать информацию, возможно использование для производства коммерческих атомных магнитометров.
Многие считают этот эффект основой мышления людей и уникальной особенности птиц ориентироваться по магнитному полю Земли.
Говорят, группа учёных решила его применить для передачи информации быстрее скорости света.
Кто-то мечтает с его помощью защищать информацию от прочтения третьими лицами. Про это вы можете прочитать, пройдя по этой ссылке. Вообще, это почти неисчерпаемая тема, ведь эта тема имеет множество отсылок к другим темам и говорить об этом можно почти бесконечно.
Спасибо за внимание.
UPD: Спасибо пользователю за показ ошибки и за перессылку её в диалоги.

В "опыте Юнга" электроны из электронной пушки пролетают через 1 или 2 щели в преграде и оставляют след на экране.

При пролете через одну щель электроны оставляют одну полоску на экране против щели, как будто, электрон - частица.

Интересное происходит при пролете через 2 щели в преграде.

Электроны проявляют себя как волна (интерференционная картина из множества полос как результат наложения волн), если не наблюдать за тем, через какую щель пролетал каждый электрон.

А если наблюдать, через какую из 2 щелей пролетел каждый электрон, то на экране будет 2 полоски (то есть, электроны вели себя как частицы).

Получается 2 возможных варианта:

1. Поведение электрона зависит от того, наблюдал ли за ним человек или нет. То есть, сознание человека влияет на поведение электрона.

2. На электрон влияет то техническое устройство ("детектор"), которое фиксирует через какую щель он летит. (Далее информация передается человеку от детектора, и человек тут не при чем).
Чтобы разобраться с этим решили записывать данные с включенного детектора и картину на экране, но не сообщать всё это человеку.

Выяснилось. Если во время эксперимента не наблюдать за пролетом электронов через каждую щель, а записать показатели детекторов обоих щелей о пролете через них каждого электрона, но, эти данные не изучить человеком, а сразу уничтожить после эксперимента, то мы получим на экране волновую картину, а не две полоски. Это называется "стирание данных".

А, если, данные не уничтожать, а изучить после опыта, то, на экране получится 2 полоски напротив щелей.

Вот это стирание данных наиболее удивительно. Но, прежде чем разобраться с этим, надо точно выяснить - реальный ли это эксперимент или вымышленный?

В википедии есть небольшая статья без всяких ссылок, где стирание данных названо "Эксперимент квантового ластика" :

Эксперимент имеет две стадии: сначала экспериментатор отмечает через какую прорезь прошел каждый фотон без нарушения движения, и демонстрирует нарушение интерференционной картины. Эта стадия показывает, что существует «путевая» информация, которая вызывает повреждение интерференционной картины, но нет механического нарушения (как полагалось в начале создания квантовой теории). Вторая стадия проходит, стирая «путевую» информацию, и демонстрируя, что интерференционная картина восстановлена.

Из того что я накопал в интернете выходит, что в дискуссиях на русском языке народ разделился на 2 категории - одни считают, что хоть стирай данные, хоть не стирай, всё равно, на экране будут 2 полоски, другие считают что при стирании данных с детекторов на экране получится волновая картина с множеством полос (более 2).

Я брал инфу, в том числе, отсюда:

Опыт Юнга объясняет Том Кэмпбел.
Корпускулярно-волновой дуализм