Наблюдения за задержкой

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 9758 (2023) Цитировать эту статью

1411 Доступов

Подробности о метриках

Квантовая суперпозиция является краеугольным камнем квантовой механики, где интерференционные полосы возникают в результате самоинтерференции одного фотона через неразличимые характеристики фотона. Эксперименты Уиллера с отложенным выбором широко изучались на предмет корпускулярно-волнового дуализма в течение последних нескольких десятилетий, чтобы понять теорию дополнительности квантовой механики. Суть квантового ластика с отложенным выбором заключается во взаимоисключающей квантовой особенности, нарушающей причинно-следственную связь. Здесь мы экспериментально демонстрируем квантовый ластик с использованием когерентных пар фотонов путем отложенного выбора поляризатора, помещенного вне интерферометра. Когерентные решения наблюдаемого квантового ластика получены с помощью типичного интерферометра Маха – Цендера, где нарушение причинно-следственной связи обусловлено выборочными измерениями выбора базиса.

Эксперименты с отложенным выбором, предложенные Уилером в 1978 году1 для теории дополнительности2, интенсивно изучались в течение последних нескольких десятилетий3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. Хотя первоначальная концепция теории дополнительности исходила из исключительности природы между непереключаемыми объектами, такими как положение и импульс, эксперименты с отложенным выбором были разработаны для контроля измерений корпускулярно-волнового дуализма в интерферометрической системе3. Корпускулярно-волновой дуализм одного фотона демонстрирует компромиссное соотношение между видимостью границ, основанной на волновой природе, и информацией о направлении, основанной на природе частиц4. Эксперименты с отложенным выбором были широко продемонстрированы с использованием теплового света5, запутанных фотонов6,7,8, атомов9,10,11, нейтронов3, ослабленных лазеров4,12,13 и антигруппированных одиночных фотонов14,15. При отсроченном выборе постконтроль измерений приводит к парадоксальному явлению нарушения причинно-следственной связи16. Квантовый ластик основан на пост-выборе измерений, выборе17 или стирании18 одной из природ. Недавно был разработан квантовый ластик для изменения заданной природы посредством последующих измерений с использованием запутанных фотонов19, когерентных фотонов13,20, теплового света21 и антигруппированных фотонов11,22.

В настоящей статье квантовый ластик с отложенным выбором был экспериментально продемонстрирован с использованием когерентных фотонов посредством управления базисом поляризации, где когерентные фотоны получаются из ослабленного лазера непрерывного действия (непрерывного излучения). Как и некоторые схемы с отложенным выбором13,14,18,19,21, данная схема предназначена для пост-контроля заранее определенной природы фотона. Здесь наш интерферометр Маха-Цендера (MZI), состоящий из поляризационного светоделителя (PBS) и светоделителя (BS), настроен на природу частицы в соответствии с законом Френеля-Араго23 или невзаимодействующими квантовыми операторами24. Таким образом, информация о направлении отдельного фотона внутри MZI является заранее определенным фактом, что приводит к отсутствию интерференционных полос на выходных портах MZI. Однако, не контролируя сам MZI, мы экспериментально восстанавливаем волновую природу фотона, управляя основой поляризации выходного фотона с помощью поляризатора13,14,19,21. Если последующие измерения показывают интерференционную полосу, это представляет собой нарушение причинно-следственной связи, поскольку выбор поляризатора удовлетворяет пространственному разделению. Для этого мы измеряли корреляции интенсивности первого и второго порядка с помощью блока подсчета совпадений.

На рисунке 1 показана схема нынешнего квантового ластика с отложенным выбором, использующего когерентные фотоны, генерируемые ослабленным непрерывным лазером (см. раздел «Методы»). На рис. 1 используется блок подсчета совпадений (CCU, DE2; Altera) для корреляций интенсивности как первого, так и второго порядка между двумя детекторами D1 и D2 (SPCM-AQRH-15, Excelitas). Для корреляции второго порядка CCU учитывает только фотоны с двойной группой, где отношение генерации фотонов с двойной группой к одиночным фотонам составляет ~ 1% при среднем числе фотонов \(\langle n\rangle \sim 0,01\) ( см. раздел А дополнительных материалов). Для корреляции интенсивности первого порядка оба входных канала CCU от D1 и D2 измеряются индивидуально в течение периода 0,1 с на каждую точку данных (см. рис. 2). Сгруппированные фотоны более высокого порядка не учитываются статистикой Пуассона (см. раздел А дополнительных материалов). Чтобы обеспечить случайность поляризации одного фотона, непосредственно перед MZI помещается полуволновая пластина (HWP), повернутая на \(22,5^\circ\). Согласно следующему PBS, одиночный фотон внутри MZI демонстрирует различимые характеристики фотона с точной информацией о направлении: \({|\psi \rangle }_{MZI}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left ({|V\rangle }_{UP}+{|H\rangle }_{LP}\right)\). Таким образом, измеренные фотоны вне MZI показывают заранее определенную частицейскую природу одного фотона (не показано), как в ссылках 13,14,19.