Es gibt zwei Experimente, die oft verwendet werden, um die Quantenmechanik zu erklären: das Zwei-Spalt-Experiment und das EPR-Paradoxon. Ich bin gespannt, was passieren würde, wenn Sie sie kombinieren würden.
Stellen Sie sich ein Experiment vor, bei dem Sie Paare verschränkter Teilchen auf zwei simultane Zwei-Spalt-Aufbauten abfeuern. Wenn Sie Detektoren verwenden, können Sie herausfinden, wie die Bahnen der verschränkten Teilchen korrelieren. Vielleicht könnten Sie aus dem Ergebnis eines Detektors ableiten, durch welchen Schlitz das andere Teilchen gegangen ist. Wenn Sie nun die Experimente mit einem Detektor auf der einen Seite und ohne Detektor auf der anderen Seite durchführen würden, würden die unbeobachteten Teilchen immer noch ein Interferenzmuster bilden, obwohl Sie wissen, durch welchen Schlitz sie gegangen wären?
Meine Intuition ist, dass die Antwort ja ist. Obwohl sie verschränkt sind, sollten die Teilchen keine korrelierten Aktionen haben, sonst hätten wir die schneller-dass-Licht-Kommunikation erfunden. Sie könnten ein Gerät entwickeln, das ständig verschränkte Teilchen auf zwei weit entfernte Welten feuert, und wenn eine Welt plötzlich anfängt, die Teilchen auf ihrer Seite zu beobachten, würden die Teilchen, die auf der anderen Welt ankommen, sofort aufhören, ein Interferenzmuster zu erzeugen.
Ein Experiment, das dem vorgeschlagenen Experiment sehr nahe kommt, wurde 1998 von Zeilingers Doktorandin Dopfler durchgeführt. Sie verwendete einen Down-Conversion-Kristall, um Paare verschränkter Photonen in einem Quantenlöscher-Experiment mit einem Doppelspalt zu erzeugen.
Eines der Elemente ging durch den Doppelschlitz und wurde von einem Detektor A erfasst, der den Raum hinter den Schlitzen abtastet, um zu sehen, ob es ein Interferenzmuster gibt oder nicht. Das andere Element gelangt durch eine Linse zu einem anderen Detektor B, dessen Abstand zur Linse variiert werden kann (Winkel ist fest). Indem der Detektor B mit der Linse in den Fokus oder aus dem Fokus bewegt wird, kann das andere Paarelement erkannt werden, als ob es durch einen der Schlitze hindurchgeht (im Fokus "sieht" es die Schlitzlöcher) oder die Richtungsinformation wird gelöscht (out des Fokus werden Informationen aus beiden Schlitzen zusammengeführt).
Eine nützliche Betrachtungsweise dieser experimentellen Anordnungen besteht darin, so zu tun, als würde das Photon von einem der Detektoren emittiert , rückwärts durch das Experiment, durch den Down-Conversion-Kristall mit intaktem Impuls geleitet und schließlich von dem anderen Detektor absorbiert.
Dieses Experiment wird daher einfach so beschrieben, dass Linse + Detektor B entweder die Welcher-Schlitz-Information beobachtet oder im anderen Abschnitt des Experiments nicht.
Laut Dopfler und Zeilinger hat das Experiment funktioniert, aber ich habe seitdem nichts mehr darüber gelesen und die Originaldissertation wurde aus dem Internet gezogen, aber eine Kopie kann im Internetarchiv gefunden werden. Da es einen Koinzidenzzähler verwendete, um das Signal-Rausch-Verhältnis zwischen beiden Detektoren zu erhöhen, hatten sie keine FTL-Signalisierung wirklich demonstriert, es wird jedoch spekuliert, dass das Experiment ohne den Zähler laufen könnte. Zeilinger nennt die konzeptionelle Alternative zur raumartigen Signalisierung "Retrokausalität", denke ich, wo die Ursache in beiden Pfaden nach der Abwärtskonvertierung zeitartig ist, aber in einem rückwärts läuft (wie in dem oben erwähnten "so tun"-Tool).
J. Cramer arbeitet offenbar derzeit daran, dieses Experiment zu verfeinern.
Es gibt eine Reihe von Artikeln, die die Doppelspaltinterferenz auf Einzelphotonenebene unter Verwendung verschränkter Photonenpaare untersuchen. Die Arbeit von Scarcelli et al. https://arxiv.org/abs/quant-ph/0512207 führt ein Quantenlöscher-Experiment mit verzögerter Auswahl unter Verwendung einer Geisterbildgebung durch, die so aufgebaut ist, dass klassische Interferenzstreifen gezeigt werden, wenn Informationen über den Pfad fehlen, und das Fehlen von Interferenzen, wenn Informationen über den Pfad fehlen ist anwesend. Insgesamt ist die Interferenz in den Daten als Teilmenge aller möglichen Detektionen durch die Verwendung eines Fourier-DC-Bandpassfilters vorhanden. Wenn dagegen alle möglichen Koinzidenzen gesammelt werden, gibt es keine Interferenz. Das ist merkwürdig!
Im Gegensatz dazu wurde ein ähnliches Experiment, veröffentlicht von Reubin et al. https://arxiv.org/abs/1602.05987 , das sich nur durch das Fehlen der Geisterbildlinse unterscheidet, zeigt das klassische Interferenzmuster für alle möglichen Koinzidenzen. Allerdings mit einem entscheidenden Unterschied. Sie mussten eine optische Modenfilterung verwenden, um eine qualitativ hochwertige Interferenz zu erreichen.
In beiden Fällen wird einfach ein Photon durch den Doppelspalt geführt und detektiert.
Diese Experimente sind beide Einzelphotonen-Doppelspalt-Interferenzexperimente. Sie offenbaren jedoch einen oft übersehenen Aspekt bei der Durchführung solcher Experimente. Die Natur eines einzelnen Photons.
Einzelne Photonen sind einzelne Anregungen einer elektromagnetischen Feldmode. Als Quantenteilchen können sie in Überlagerungen existieren. Als solche können sie auch einen Multimode-Zustand darstellen.
Wenn wir Doppelspaltinterferenzen betrachten, ist es oft implizit, dass wir es mit einer Einmodenanregung mit einer wohldefinierten Phase an den Spalten zu tun haben. Dies gilt bis an die makroskopische Grenze mit einem kohärenten Einmodenlaser. Die Bedeutung der Modenzusammensetzung des Beleuchtungsstrahls ist von entscheidender Bedeutung für die Beobachtung von Interferenzen. Dies ist immer ein Teil jedes Bachelor-Experiments des Doppelspalts.
Allerdings scheint die Modenzusammensetzung auf der Einzelphotonenebene vergessen zu sein.
Experimente mit verschränkten Photonenpaaren vernachlässigen oft die Modenqualität des Strahls. Dies wurde in der Veröffentlichung von Reubin et al. veranschaulicht, wo sie zeigten, dass Modenfilterung notwendig war, um gute Interferenzstreifen zu erzielen.
Die Veröffentlichung von Scarcelli et al., die vorgibt, den Quantenlöscher mit verzögerter Auswahl zu veranschaulichen, verwendet in ihrem Experiment auch eine Modusfilterung unter Verwendung einer Variablen mit Fenstern in der Fourier-Transformationsebene.
Was nicht berücksichtigt wird, ist die Auswirkung der Filterung auf den verschränkten Partner. Die zwei Photonen, die von dem Abwärtsumwandlungskristall emittiert werden, sind impulsverschränkt. Das bedeutet, dass sie effektiv modenverschränkt sind. Wenn Sie einen Modusfilter auf ein Photon an einem Arm anwenden, beschränken Sie das Interferenzmuster nur auf die Photonen mit demselben räumlichen Modus.
Somit veranschaulichen die angeblichen Quantenlöscher-Experimente mit verzögerter Auswahl in Wirklichkeit nur die Filterung nach dem selektiven Modus. Die Information "welcher Pfad" ist in diesen Experimenten irrelevant, da der Zusammenbruch der Wellenfunktion immer noch am Detektor oder CCD in allen Fällen auftritt. Es ist nur so, dass das Experiment die Fähigkeit hat, verschiedene Wellenfunktionen unter Verwendung der hier beschriebenen photonenkorrelierten Modenfiltertechnik auszuwählen, wobei das breite merkmalslose Muster leicht als die Wahrscheinlichkeitsverteilung interpretiert werden kann, die einer Multimode-Anregung entspricht.
Somit zeigen diese Experimente, dass die Modenauswahl verschränkter Photonen tatsächlich das experimentelle Ergebnis eines Doppelspaltexperiments beeinflussen kann. Die Ergebnisse stehen jedoch in engem Zusammenhang mit den in der Veröffentlichung von Reubin et al. demonstrierten Ghost-Imaging-Ergebnissen und demonstrieren ansonsten nicht schlüssig den Quantenlöscheffekt mit verzögerter Auswahl.
David z