Können einzelne Photonen im Laufe der Zeit ein Hologramm erzeugen?

Die Antwort ist "ja", ein Hologramm kann Photon für Photon erstellt werden. Das Experiment wurde durchgeführt. Natürlich ist es ein sehr langsamer Prozess. Das erste derartige Experiment, von dem ich gelesen habe, verwendete eine fotografische Emulsion, um das Bild über einen langen Zeitraum festzuhalten. Es wurde ein standardmäßiger 3D-Hologramm-Aufzeichnungsaufbau verwendet. Der Laserstrahl wurde abgeschwächt, bis durchschnittlich weniger als ein Photon gleichzeitig in der holografischen Anordnung sein konnte, und eine fotografische Emulsion zeichnete die Position jedes Photons in der Hologramm-Aufzeichnungsebene auf. (Ich suche nach dem Papier und werde einen Link posten, wenn ich es finde.)

Moderne Photonen zählende Detektoren machen es etwas einfacher; und einige Einzelphotonen-on-Demand-Emitter wurden in den letzten Jahren entwickelt. Einige Schlüsselwörter, die Sie in einer Google-Suche verwenden könnten, sind „Single Photon Holography“ und „Photon Counting Holography“.

Hier kommt jedoch die Verrücktheit der Quantenmechanik ins Spiel: Damit ein Hologramm aufgezeichnet werden kann, muss es unmöglich sein, für jedes Photon in der Aufzeichnung zu wissen oder sogar herauszufinden, welchen Weg das Photon genommen hat (der Objektweg oder der Referenzpfad). Wenn irgendetwas unternommen wird, um zu steuern oder zu bestimmen, welchen Weg jedes Photon nimmt, wird es kein Interferenzmuster geben. Wenn Sie also einen Spiegel sehr schnell umdrehen, um einzelne Photonen abwechselnd auf den Referenz- oder Objektpfad zu lenken (anstatt beispielsweise einen Strahlteiler zu verwenden), könnten Sie kein Hologramm erstellen, da Sie wissen könnten, welchen Pfad jedes aufgezeichnete Photon genommen hat durch Erfassen seiner Ankunftszeit.

Die Antwort auf die Frage ist also ein eingeschränktes „Ja“: Solange es keine Möglichkeit gibt, zu wissen, welchen Weg jedes Photon nimmt, dann wird ein Hologramm gebildet. Die Frage ist eigentlich eine sehr gute, denn eine vollständige Antwort müsste einige faszinierende Themen untersuchen, wie zum Beispiel, was ein Photon ist (nicht die einfache Antwort, dass es ein Paket elektromagnetischer Energie ist), wie „ EPR-basierte Bildgebung “ funktioniert und sogar dieses seltsame Papier .

Wenn die Frage so modifiziert wird, dass jedes Photon „seine eigene Entscheidung treffen“ kann, ob es den Objektpfad, den Referenzpfad oder beide nimmt – und alles verbietet, was Sie wissen lässt, welchen Pfad es genommen hat –, dann ist die Frage hat noch einige interessante Inhalte. Was ist, wenn der Referenzpfad viel länger als der Referenzpfad ist, sodass wir „wissen“, dass alle auftretenden Interferenzen zwischen „etwas“ liegen, das zu unterschiedlichen Zeiten emittiert wurde?

Nun, es stellt sich heraus, dass die Kohärenz zB eines Helium-Neon-Lasers nicht nur aus den wenigen Zoll Kohärenzlänge besteht, die in den meisten Spezifikationen beschrieben werden. Tatsächlich ist die Kohärenz periodisch. Für einige Zoll vor und nach ganzzahligen Vielfachen der Länge des Laserhohlraums (normalerweise in der Größenordnung von einigen Fuß) kehrt die Kohärenz zurück. Die jetzt emittierten Photonen stimmen genau mit den Photonen überein, die in Zeitintervallen emittiert werden, die durch die Resonatorlänge des Lasers bestimmt werden. Wenn sich der Objekt- und der Referenzstrahl in der Weglänge um das 3- oder 6- oder 10-fache der Resonatorlänge unterscheiden, plus oder minus einen Betrag kleiner als die herkömmlich berechnete Kohärenzlänge, dann ist es immer noch möglich, ein Hologramm aufzuzeichnen. Tatsächlich verteilt sich jedes Photon über eine Distanz von mehreren Metern – und über eine entsprechende Zeitspanne.

Daher kann es sehr schwierig sein, selbst wenn ein Laserstrahl so stark abgeschwächt wurde, dass typische Berechnungen uns sagen würden, dass sich jeweils nur ein einzelnes Photon im Aufbau befindet, um sicherzustellen, dass die Wellenfunktionen von Hunderten von Photonen nicht vorhanden sind darin die Einrichtung gleichzeitig.

Wenn Sie ein bereits aufgezeichnetes Hologramm auf Film nehmen und einzelne Photonen gleichzeitig passieren lassen und die Ergebnisse auf Film akkumulieren, dh einen Film dort platzieren, wo sich das Hologramm im Raum bildet, ist das auf dem Film aufgezeichnete Muster für einzelne Photonen bei a dasselbe Zeit, oder ein Strahl, der mit Millionen auf einmal durchscheint. Es wird eine zweidimensionale Aufzeichnung sein, konzeptionell ähnlich dem Interferenzmuster des Doppelspalts mit jeweils einzelnen Photonen.

Einzelne Photonen, die von einem Objekt abprallen, können kein Hologramm bilden. Denn um ein Hologramm zu erhalten, müssen die Phasen der Photonen, aus denen der Lichtstrahl besteht, festgelegt werden. Es gibt eine riesige Wellenfunktion mit Millionen von Photonen, bei der die Phasen im Hologramm aufgezeichnet sind. Wenn das Objekt gestreut wird, um das Hologramm zu erzeugen, werden die Phasen mit den zusätzlichen Informationen beibehalten, die von der Streuung des Objekts stammen. Es besteht Kohärenz.

Ein einzelnes Photon kann keine feste Phase haben, auf die nach Streuung am Objekt ein nachfolgendes einzelnes Photon folgt. Die Phase dazwischen geht durch die Anforderung "einzeln" verloren.

Das bereits aufgezeichnete Hologramm hat die Phaseninformationen eingeschrieben, sodass ein Photon, das es durchstreut, der Wellenfunktion folgt, die das Hologramm aufgebaut hat.

Bearbeiten Sie nach Kommentaren .

Jedes Photon hat seine eigene Wellenfunktion

Beachte den Imaginärteil. Alle diese überlagerten Wellenfunktionen ergeben die klassische elektromagnetische Welle und bilden insgesamt die echten E- und B-Felder der Welle$Ψ^*Ψ$des Balkens. Bei Photonen liegen die Phasen zwischen den Wellenfunktionen einzelner Photonen. In einem Laserstrahl sind die Phasen festgelegt, und wenn an einem Objekt gestreut wird, sind die Absorptionen und Reflexionen einzelner Photonen im Gleichschritt und können auf dem Filmmedium aufgezeichnet werden, wodurch ein Filter (Zillionen von "zwei Schlitzen") entsteht, der das Bild wie folgt reproduziert ein Hologramm.

Somit dürfen die Phasen nicht verloren gehen, damit ein Hologramm korrekt aufgezeichnet wird. Es hängt dann davon ab, ob, wenn jeweils ein Photon erzeugt wird, der Laserprozess im Zeitintervall kohärent ist, so dass die Zeit zwischen den Treffern keinen Unterschied macht. Meiner Meinung nach wird es Unterschiede geben, die durch den Kontext eingeführt werden, wie in der Antwort hier diskutiert, über die Kohärenz einzelner Photonen.

Dies ist eine echte Quantendekohärenz (des Lichtzustands) und es ist schwer zu sagen, was genau das experimentelle Ergebnis sein wird. Wenn das gesamte Experimentierkit wirklich zeitinvariant ist, sodass die Wahrscheinlichkeiten jedes reinen Zustands in der Mischung konstant sind, wird die Antwort auf Ihre Frage genau dieselbe sein wie damals, als wir über die spektrale Streuung der Energie in reinen Quantenzuständen sprachen: die Wahrscheinlichkeiten einzelner Detektionsereignisse bei niedrigen Lichtstärken spiegeln die Intensitäten bei hohen Lichtstärken genau wider. In der Praxis ist diese Zeitinvarianz jedoch sehr schwer zu erreichen. Sie werden feststellen, dass der Begriff der Kohärenzlänge sehr, sehr schwer genau zu messen ist, da das Ergebnis stark von den Integrationszeiten, Frequenzgängen, Oberflächen usw. in Ihren Detektoren und Verarbeitungselektroniken abhängt. Du'

Meine Antwort spiegelt also den letzten Teil oben wider, dass im Allgemeinen die Kohärenz im Ein-Photonen-Stadium verloren geht. Ein Experiment würde die Grenzen für die Erzeugung eines Hologramms mit jeweils einem Photon aufzeigen.