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 направлении v 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.

В "опыте Юнга" электроны (фотоны) из электронной (фотонной) пушки пролетают через одну или две щели в преграде и оставляют след на экране.

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

Интересное происходит при пролете через 2 щели в преграде.

При пролете через две щели электроны проявляют себя как волна (интерференционная картина из множества полос как результат наложения 2 волн, исходящих из каждой щели). Позже этот опыт усовершенствовали до такой степени, что смогли стрелять не пучком электронов, а отдельными электронами. Для интереса решили наблюдать , 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).

Что значит "наблюдать"? Это значит, на пути полета частицы ставился специальный детектор, который подавал сигнал, если через него пролетала частица.

Получается 2 возможных варианта:

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

2. На электрон влияет то техническое устройство ("детектор"), которое фиксирует через какую щель он летит

К еще большему удивлению ученых выяснилось, что результат одинаков для разных видов детекторов, точнее для разных технологий наблюдения. При чем, тот же результат для фотонов и некоторых других частиц. Наблюдение влияет поведение.

У очень серьезных ученых возникла ненаучная мистическая гипотеза, что на поведение частиц влияет информация о записи данных. Чтобы разобраться с этим, решили усложнить опыт так, чтобы полностью исключить влияние детектора. Решили обхитрить природу. Каким образом? Поставили эксперимент так, чтобы детектор срабатывал ПОСЛЕ того как частица уже проявила себя либо как частица, либо как волна.

Как именно стираются данные? Квантовым методом. Это называется "Эксперимент квантового ластика ". (иностранное слово "Ластик" - это аналог стирательной резинки, то есть, средство удаления информации).

Вот самое главное оттуда:

Основной результат эксперимента заключается в том, что не имеет значения, был процесс стирания выполнен до или после того, как фотоны достигли экрана детектора.

В чем суть эксперимента? В начале пути полета фотона к экрану его помечают определенным образом, чтобы знать через какую щель он пролетит. И тогда, будучи помеченным, он оставляет на экране точечный след, как частица. А, если на пути полета к экрану с этого же фотона снять уже поставленную метку (стереть квантовым ластиком), то, этот фотон оставит на экране след как волна (интерференционная картина).

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 ".

Возникает вопрос: каким образом можно стереть метку с фотона после того как он уже прилетел на экран? Разве такое возможно?

Возможно! Для этого из одного фотона создают два, каждый из которых обладает половиной энергии исходного фотона. Это называется "запутанная пара " фотонов. Эти 2 фотона так связаны между собой, что находясь на любом расстоянии друг от друга , обладают взаимосвязанными свойствами таким образом, что изменения какого либо параметра одного фотона 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!!!).

Итак, в начале фотон пропускается через кристалл бета-бората бария (BBO), который преобразует единичный фотон в пару запутанных фотонов пониженной частоты которые летят в разные стороны. Их называют условно сигнальный и холостой. Сигнальный пролетает через 2 щели на экран, где и оставляет след как от частицы или как след от волны. А вот холостой летит в другую сторону, не будучи ограниченным расстоянием до экрана. И именно над ним производится манипуляция по снятию метки, после чего детектор не может определить через какую щель пролетел сигнальный фотон.

В пользу того, что на результат влияет сам факт наблюдения, а не наличие физического детектора, говорит то, что самые выдающиеся нобелевские физики 20 века Эйнштейн, Бор и другие много обсуждали это явление. Если бы всё упиралось в обычное физическое влияние детектора, никто бы не удивился, и говорить было бы не о чем. Напротив, ученые повыдвигали много сложных теорий по объяснению феномена. Точнее, по законам микромира на основании открытого феномена при котором будущее наблюдение как-то влияет на прошлое событие. В частности, Эйншейн так выразился:

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

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:

(текстовая версия тут http://lampalap.blogspot.com/2014/12/blog-post_16.html )

Вот инфа о нём:

Том Кэмпбелл (Thomas Campbell) - физик-ядерщик, работал на NASA.

все эти квантовые дела подробно описываются словами и картинками со схемами в книге Грина Брайана "Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности" http://e-libra.ru/read/311672-tkan-kosmosa:-prostranstvo,-vremya-i-tekstura-realnosti.html . В сети многие цитируют эту книгу.

Бра́йан Рэ́ндолф Грин (англ. Brian Randolph Greene, 9 февраля 1963 года) — физик-теоретик и один из наиболее известных струнных теоретиков, с 1996 года является профессором Колумбийского университета .

Математические способности Брайана были настолько высоки, что в двенадцать лет он начал брать частные уроки у профессора Колумбийского университета , поскольку к тому времени он уже освоил школьную программу.

После окончания Стайвесантской школы (Stuyvesant High School) Брайан Грин в 1980 году поступил на физический факультет Гарвардского университета, где получил степень бакалавра. Став обладателем стипендии Родса, он продолжил обучение в Оксфордском университете и в 1987 году получил докторскую степень .

В 1996 году Грин перешёл в Колумбийский университет, где он работает по сей день. В Колумбийском университете Грин является содиректором университетского Института струн, космологии и астрофизики (ISCAP) и руководит исследовательской программой, посвящённой приложению теории струн к проблемам космологии. До этого, с 1990 года, Грин работал на физическом факультете Корнеллского университета. Там он стал профессором в 1995 году.

Профессор Грин часто даёт лекции вне стен университетских аудиторий, как на популярном, так и на специальном уровне, в более чем двадцати пяти странах.

Один из его последних проектов — организация ежегодного Всемирного фестиваля науки (World Science Festival), который проходит в Нью-Йорке с 2008 года.

Брайан Грин — вегетарианец с детства и веган с 1997 года

Книга Брайана Грина «Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории» (1999) была первой попыткой популяризации теории струн и М-теории. Она стала финалистом Пулитцеровской премии в разделе нехудожественной литературы и лауреатом премии The Aventis Prizes for Science Books в 2000 году.

Эта книга легла в основу телевизионного научно-популярного минисериала на канале PBS, а профессор Грин выступил в роли ведущего. Его вторая книга «Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности» (2004) является ещё более популяризированной версией «Элегантной Вселенной».

В этом видео https://www.youtube.com/watch?v=SnQkTfSpfOU ("ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ВИРТУАЛЬНОСТИ НАШЕГО МИРА") на времени 10:35 это называется эксперимент с "отложенным выбором" и что этот эксперимент проведен в 2006 году.

8 мая 2016 в 01:52

Спросите Итана №46: Что такое квантовое наблюдение

• Научно-популярное ,
• Физика

• Перевод

Можно увидеть многое, просто наблюдая
- Йоги Бера

Читатель спрашивает:

А что такое «наблюдение»? У меня есть два примера, которые я тем меньше понимаю, чем больше о них думаю: эксперимент Юнга и теорема Белла. Чем больше я о них думаю, тем меньше я понимаю, что на самом деле означает «наблюдение».

Давайте начнём с рассмотрения этих двух классических примеров странности квантового мира.

Сначала возьмём эксперимент Юнга. Давно известно, что частицы ведут себя не так, как волны. Если вы возьмёте экран с двумя щелями и будете кидать туда камушки, или пульки, или другие макроскопические предметы, большинство камушков будет задержано экраном. Несколько пролетят через щели. Можно ожидать, и по сути, так и происходит, что несколько камушков пролетят через левую щель, и несколько – через правую.

И у вас будут две кучки камушков, составляющих кривую в виде колокола (нормальное распределение), по одной для каждой щели. И это происходит вне зависимости от того, смотрите вы на камушки в момент броска, или нет. Побросали камушки, получили такую картинку. Всё.

А что, если у вас есть бассейн с водой, и вы с одной его стороны создаёте волны? Вы можете разместить экран с двумя щелями, чтобы волны могли проходить только через щели. В результате у вас появится два источника волн.

В результате вы получите картину интерференции, где есть пики и провалы, а также промежутки, где будет просто средняя высота воды без волн. Это называется интерференцией – иногда пики и провалы складываются и усиливают друг друга, иногда пик складывается с провалом и взаимно компенсируются.

Эксперимент Юнга был серией экспериментов, проводимых с 1799 по 1801 года. Через две щели светили светом, чтобы понять, будет он вести себя, как частицы, или как волны. Теперь этот стандартный эксперимент студенты повторяют в лабораториях. В результате получается такая картина:

Очевидно, тут происходит интерференция. Открытый в начале 1900-х фотоэлектрический эффект, согласующийся с идеей квантификации света на фотоны с разными энергиями, вроде бы говорил о том, что свет состоит из частиц, а не из волн – и всё равно он создавал такую интерференционную картину, проходя через две щели.

Дальше ещё страньше. В 1920-х физики решили провести тот же эксперимент, только с электронами вместо фотонов. Что случится, если направить поток электронов (например, от радиоактивного источника, испытывающего бета-распад) на две щели с экраном позади них? Какую картину мы увидим?

Как ни странно, источник электронов также даёт интерференционную картину!

«Погодите-ка»,- сказали все. «Каким-то образом электроны интерферируют с другими электронами от источника распада. Давайте-ка будем пускать их поодиночке и посмотрим, что получится на экране».

Поэтому они так и сделали, и начали смотреть, какая картинка будет вырисовываться после каждого электрона. Вот, что они увидели.

Получилось, что каждый электрон интерферировал сам с собой, проходя через щели! Чот и привело физиков к вопросу о том, как это происходит – раз электроны являются частицами, они могут проходить только через одну из щелей, словно камушки или пульки.

Так как же? Они сделали «ворота» (в которые можно светить фотонами, чтобы те взаимодействовали с тем, что проходит через щель), чтобы определить, через какую щель проходит каждый конкретный электрон. В результате, конечно, получилось, что электрон проходил через одну из двух щелей. Но затем, посмотрев на получающуюся картинку, они обнаружили, что она превратилась в картину, нарисованную частицами, а не волнами. Иначе говоря, электрон будто бы знал, наблюдаете вы за ним или нет!

Или, как говорят физики, акт наблюдения изменяет результат эксперимента. Это может показаться странным, но именно это и происходит во всех квантовых системах, организованных таким образом: всё работает так, как будто оно находится в волновой суперпозиции всех возможных результатов, но как только вы делаете ключевое «наблюдение», оно заставляет систему выдать вам один реальный ответ.

Другой пример, о котором говорит наш читатель, это квантовая запутанность.

Многие частицы можно создать так, что они будут находиться в запутанном состоянии: когда вы будете знать, например, что у одной должен быть положительный спин, а у другой – отрицательный (например, ±½ для электронов, ±1 для фотонов, и т.п.), но не знаете, у какой из них какой спин. Пока вы не совершите измерение, вам придётся обращаться с ними так, будто каждая частица находится в суперпозиции позитивного и негативного состояния. Но когда вы «наблюдаете» свойства одной из них, вы сразу же узнаёте о соответствующем свойстве другой.

Это странно – как и в случае с электронами, проходящими через щель, частицы ведут себя по разному, в зависимости от того, находятся они в суперпозиции состояний, или же их заставили принять одно из «чистых» состояний. В теории можно запутать две частицы, передвинуть одну из них на расстояние светового года, пронаблюдать первую, узнать её спин, и сразу же узнать спин другой. Вам не надо будет ждать год, чтобы сигнал пришёл к вам со скоростью света.

Если вам кажется, что это странно, то так оно и есть. Сам Эйнштейн был обескуражен этим, и решение этого, сделанное Беллом, состоит в том, что квантовая запутанность – это нелокальный феномен.

Если вы наблюдаете две частицы, а затем разводите их на большую дистанцию, то получаете (а). Если вы запутываете их, а затем разводите, они обе не определены, пока вы не одну из них не наблюдали (b). Но, пронаблюдав одну из них, вы тут же узнаёте состояние другой (с).

При этом тот, кто находится рядом с частицей, отодвинутой на световой год, не сможет заметить в ней никаких изменений, когда вы измерите свою. Только после того, как вы сведёте ваши частицы вместе (или передадите информацию о них, что ограничивается скоростью света), вы сможете пронаблюдать состояния обеих частиц.

Теперь можно ответит на вопрос читателя: что есть наблюдение?

Несмотря на то, что вы могли подумать, прочтя эти строки, наблюдение не имеет ничего общего с вами, с наблюдателем. Все разговоры про измерения и наблюдения прячут правду – чтобы произвести эти измерения, вам надо сделать так, чтобы квантовая частица провзаимодействовала с той, которую мы пытаемся наблюдать. И если нам нужно провести эти измерения, нам нужно, чтобы это взаимодействие прошло с определённым уровнем энергии.

Это не имеет ничего общего с вами или с «актом наблюдения», а зависит от того, провзаимодействуете ли вы с достаточной энергией для того, чтобы «сделать наблюдение», или, иначе говоря, удастся ли вам перевести частицу в одно из квантовых состояний.

Для электрона, проходящего сквозь щель, это означает взаимодействие с фотоном, который ограничит его позицию достаточно для того, чтобы он явно прошёл через одну из щелей. Для фотона со спином +1 или -1 это означает проведение измерения чувствительного к его поляризации, что означает взаимодействие, чувствительное к типу электромагнитного поля, создаваемого фотона.

Поэтому, наблюдение – это квантовое взаимодействие, достаточное для определения квантового состояния системы.

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.