Двухщлевой эксперимент с отложенным выбором

[irygaev]

Здравствуйте!

Помогите разобраться, пожалуйста.

Речь о двухщелевом эксперименте с отложенным выбором. Если я правильно понимаю, он работает примерно так:

Фотон направляется на экран по одному из двух путей при помощи зеркал полупрозрачного зеркала (ПП) и зеркал 1 и 2. Для проверки того, по какому из двух путей прошёл фотон, на пути ставятся два даун-конвертора (ДК), которые разделяют один фотон на два с половинной энергией, один из которых продолжает свой путь, а другой направляется в детектор 3 или 4. Но в детекторы он может не попасть, т.к. а пути к ним стоят полупрозрачные зеркала, которые с вероятностью 50% отправляют фотон на детекторы 5 или 6 (выбор между ними случаен при помощи ещё одного полупрозрачного зеркала).

Результат:
Фотоны, попавшие в детекторы 5 и 6 образуют интерференционную картину, а попавшие в 3 и 4 - нет.

Суть:
Интерференцию разрушает не вмешательство в эксперимент (в месте ДК), а наличие информации. Детекторы 3 и 4 дают информацию, детекторы 5 и 6 - нет.

Правильно я понимаю, что даже если фотон попадает на экран раньше, чем его собрат в детекторы 3-4-5-6, всё равно всё работает как описано выше? То есть первый фотон как-то заранее "узнаёт" куда попадёт второй.

Можно ли провернуть такой же опыт с электронами или другими массивными частицами, которые двигаются медленнее света? Но тогда, кажется, мы их сможем обмануть. Если увеличить размеры установки, то можно пустить пачку частиц, посмотреть, что получилось на экране и послать сигнал на детекторы 3-4-5-6 быстрее, чем туда придёт электрон, с тем чтобы убрать ПП зеркало или наоборот, заменить его полностью прозрачным.

Например, увидев интерференционную картину, направить все электроны на 3-4 и таким образом узнать, где они прошли. Или наоборот, если интерференции не будет, направить всех на 5-6.

Я понимаю, что природу обмануть не удастся, но не понимаю, какие силы нам тут смогут помешать? А может я просто неправильно понимаю суть эксперимента? Разъясните, пожалуйста.

Спасибо.

[Pphantom]

Тема перемещена из форума «Дискуссионные темы (Ф)» в форум «Помогите решить / разобраться (Ф)»

[AL Malino]

Пара вопросов, если можно:

1. Описанная схема чисто умозрительная или же имеется реально поставленный эксперимент?
В любом случае неплохо было бы дать ссылку на первоисточник. Возможно, в Вашем пояснении опущены какие-то важные детали.

2. Зачем в схеме эксперимента присутствуют два фотодетектора 5 и 6? Картинка на экране как-то зависит от того, какой из отмеченных детекторов срабатывает? Если "нет", почему бы просто не заменить их одним?


И просто в качестве примечания: как тут не столь давно общими усилиями выяснили, и самих-то экспериментов просто по интерференции электронов dans un style classique — раз-два и обчёлся А Вы аж вона куды замахнулись!

[AnatolyBa]

Здесь на форуме сходные вопросы обсуждались.
Есть книга - Гринштейн, Зайонц. Квантовый выбор. Несколько популярна, но стоит прочитать.
Я не великий специалист в данном вопросе, но рискну высказать некторые соображения.
Вот вы пишете

irygaev в сообщении #1125711 писал(а):

Например, увидев интерференционную картину, направить все электроны на 3-4 и таким образом узнать, где они прошли. Или наоборот, если интерференции не будет, направить всех на 5-6.

А подробнее?
Если вы работаете на уровне единичных электронов - как вы узнаете для одного электрона была интерференционная картина или нет? Вам надо придумать реализуемый (в принципе) алгоритм выбора.
Если вы работаете с пачкой частиц, увидели интерференционную картину, убрали ПП перед детекторами 3, 4 - как вам полученная информация поможет различить судьбы отдельных электронов?

Мне кажется, проблема (по крайней мере ее часть) вот в чем.
Когда нам говорят, что классические траектории в квантовой механике теряют смысл и говорить о них можно только в рамках расчета фейнмановских амплитуд, мы в глубине души надеемся, что это не так. И эта ложная надежда приводит к дополнительным сложностям в понимании.
Взгляните на ваш эксперимент не предполагая, что фотоны (или электроны, неважно) "на самом деле" двигаются по каким-то траекториям. А полагайте, что траектория - лишь промежуточный, чисто математический элемент для построения амплитуды. И амплитуды для неразличимых в эксперименте траекторий складываются.
Таким образом, вы можете рассчитать интерференционную картину. Внутренних противоречий в этом расчете не будет. Хотя душевное беспокойство он может вызвать, но тут уж ничего не поделаешь.

[irygaev]

AL Malino в сообщении #1125951 писал(а):

1. Описанная схема чисто умозрительная или же имеется реально поставленный эксперимент?

Я имею в виду вот этот эксперимент. Картинка другая, но, как выяснилось, суть мной описана на удивление точно.

AL Malino в сообщении #1125951 писал(а):

2. Зачем в схеме эксперимента присутствуют два фотодетектора 5 и 6? Картинка на экране как-то зависит от того, какой из отмеченных детекторов срабатывает? Если "нет", почему бы просто не заменить их одним?

Это я не могу сказать, в реальном эксперименте присутствуют оба детектора.

-- 25.05.2016, 20:57 --

Нашёл ответ в той же Википедии. В том числе на вопрос, зачем нужны 5 и 6.

Оказывается, чтобы увидеть интерференцию, надо сначала отфильтровать фотоны, чьи собратья попали в 5 или в 6. То есть, фотоны из 5 образуют одну интерференционную картинку, из 6 - другую, отличающуюся фазой на пи. А если их собрать вместе, то никакой интерференции мы не увидим. Значит, чтобы узнать, есть ли интерференция, надо сначала узнать, что попало в 5 или 6, а значит, никого обогнать не получится.



-- 25.05.2016, 21:05 --

Правда не совсем понятно, откуда берётся эта разница в фазах, и нельзя ли тут обмануть природу, сделав эксперимент без разницы фаз. Видимо, тоже нельзя, но разбираться почему мне сейчас не под силу.

[chislo_avogadro]

irygaev в сообщении #1125711 писал(а):

Речь о двухщелевом эксперименте с отложенным выбором.

Откуда это, действительно с "отложенным выбором"? По виду это эксперимент с quantum eraser (на детекторах 5-6 информация о пути видимо стирается). В наиболее рафинированном виде такого рода эксперимент описал Антон Цайлингер в методической статье Experiment and the foundations of quantum physics, 1999. Стирать информацию можно и после того, как фотоны на экране уже проинтерферировали. Мораль там у него в том, что фотон - дело тонкое.

"The most sensible position, according to quantum mechanics,
is to assume that no such waves preexist before
any measurement".

"...one should not
have any realistic pictures in one’s mind when considering
a quantum phenomenon. Any detailed picture of
what goes on in a specific individual observation of one
photon has to take into account the whole experimental
apparatus of the complete quantum system consisting of
both photons and it can only make sense after the fact,
i.e., after all information concerning complementary
variables has irrecoverably been erased".

-- 25.05.2016, 22:32 --

Описание демонстрационного эксперимента из этой статьи есть и в книжке, упомянутой AnatolyBa.

[irygaev]

chislo_avogadro в сообщении #1126074 писал(а):

Откуда это, действительно с "отложенным выбором"? По виду это эксперимент с quantum eraser (на детекторах 5-6 информация о пути видимо стирается).

This is delayed choice quantum eraser )

chislo_avogadro в сообщении #1126074 писал(а):

Стирать информацию можно и после того, как фотоны на экране уже проинтерферировали.

Вот это-то и самое интересное.

[Outer]

Я предлагаю перерисовать исходный рисунок следующим образом:

Здесь ПП-1...ПП-4 - полупрозрачные зеркала, ДК-1 и ДК-2 - даун-конвертеры, З-1 и З-2 - обычные зеркала, D1...D4-детекторы фотонов, D0- экран, который показывает или не показывает интерференцию (или это может быть не экран, а такой же детектор, но перемещаемый).
В эксперименте утверждается, что если из картинки которую показывает экран D0 выделить сигналы, соответствующие детекторам D3 и D4, то интерференции нет, т.к. они дают информацию о выборе пути. В то же время, сигналы на экране DO, соответствующие детекторам D1 и D2 дают интерференционную картину.

По такой логике получается, что если детекторы D3 и D4 вообще убрать, а ПП-2 и ПП-3 заменить на обычные зеркала, то ВСЕ сигналы на экране DO будут соответствовать показаниям детекторов D1 и D2, которые (из-за наличия ПП-4) скрывают информацию о выборе пути, значит экран D0 покажет чёткую интерференцию (см. рис. слева). Если теперь полупрозрачное зеркало ПП-4 убрать, то информация о выборе пути восстановится, значит экран D0 покажет отсутствие интерференции (см. рис. справа).

Т.е. в данном случае ПП-4 выступает в роли квантового ластика, которое стирает информацию о выборе пути, как в исходной версии интерферометра Маха-Цендера.

А теперь сделаем вот что: добавим дополнительные зеркала, чтобы "боковые" фотоны от даун-конвертеров попадали в детекторы D2 и D1 по ещё более длинному пути. Что изменится? По идее, ничего измениться не должно. Т.е. как и в предыдущем примере, если ПП-4 (который "квантовый ластик") установлен, то D0 покажет интерференцию, если ПП-4 убрать, то интерференция в D0 исчезает (см. рис.).

[Outer]

Если добавить дополнительные зеркала так, чтобы ещё больше удлинить путь "боковых" фотонов от ДК-1 и ДК-2 до детекторов D2 и D1, то опять ничего не должно измениться (см. рис.).


Т.е. если ПП-4 установлено, то информация о пути скрыта, экран D0 показывает интерференцию. Если ПП-4 из данной точки убрать, то информация о пути появляется, интерференция на экране D0 исчезает.

Вопрос заключается вот в чём.

На сайте https://science.d3.ru/kvantovyi-lastik-475563/ в статье, посвящённой квантовому ластику, написано следующее:

Цитата:

Теперь, дорогие любители фантастики, вынос мозга!
Датчики (3), (4), (5), (6) и их ПП могут находится на любом расстоянии от ДК, хоть на Альфе–центавра. Представили?
То есть, фотон рисующий или не рисующий дифракционную картину здесь и сейчас, зависит от того, как пройдет его кореш через ПП перед датчиками (3) и (4), расположенными за много–много парсек отсюда, причем случится это событие через 4 года!
Фактически, это передача информации по лучу света в обратном направлении, то есть БЫСТРЕЕ скорости света.

Допустим, что все датчики датчики расположены не где-то в космосе (например, на Альфе Центавра), а в той же самой лаборатории. Но в космос мы выносим зеркала З-m и З-n. Допустим, что они представляют собой зеркала (это могут быть уголковые отражатели) установленные на орбите Марса, так что свет до них летит 10 минут туда и 10 минут обратно. Т.е. после включения прибора экран D0 срабатывает сразу, а свет на датчики D1 и D2 придёт только через 20 минут.
Теперь включаем прибор и держим его включённым, например, 5 минут подряд, а потом выключаем. Что должно произойти? Экран D0 срабатывает - в течение этих 5 минут он показывает или не показывает интерференционную картину. Причём этот результат никак не может зависеть от того, установлено у нас полупрозрачное зеркало ПП-4 (квантовый ластик) или не установлено, т.к. свет до этой области (и до датчиков D1 и D2) придёт только в момент времени t=20 мин, не раньше. После выключения прибора в момент времени t=5 мин и вплоть до момента времени t=20 мин (т.е. все последующие 15 минут) молчат все датчики (D0,D1,D2). В момент времени t=20 свет приходит на датчики D1 и D2 и они срабатывают в течение следующих 5 минут подряд (до момента t=25 мин).

Вопрос - каким образом наличие или отсутствие ПП-4 в данной точке будет влиять на наличие или отсутствие интерференции на экране D0? Ведь в момент включения прибора, и вплоть до момента его выключения (t=0...5 мин) свет до этой области (и до детекторов D1 и D2) ещё не дошёл. А если наличие или отсутствие интерференции на экране D0 (в момент времени 0<T< 5 мин) зависит от того, поместим мы ПП-4 или не поместим в соотв. точку в момент времени t=20, то получается что мы может получить информацию о том, какой выбор мы сделаем через 20 минут. Но ведь после получения этой информации мы можем изменить этот выбор! Нет ли здесь противоречия?

[warlock66613]

Outer в сообщении #1254905 писал(а):

получается что мы может получить информацию о том, какой выбор мы сделаем через 20 минут

Не можем. Потому что только после получения данных из удалённой лаборатории мы сможем понять, наличиствовала ли интерференция.

[Outer]

Как я уже написал выше, все датчики находятся в той же комнате, т.е. никакой "удалённой лаборатории" нет. Но датчик D0 срабатывает сразу, а датчики D1 и D2 только через 20 минут. Датчиков D3 и D4 тоже нет, как нет и полупрозрачных зеркал ПП-2 и ПП-3 (вместо них установлены обычные зеркала). Поэтому есть интерференция на экране D0 или её нет, будет видно сразу.

[warlock66613]

Outer, да, я не вчитался в детали.
В общем, вы в своих рассуждениях не учитываете, что фотоны, которые посылаются на полупрозрачное зеркало, также будут интерферировать. Если это учесть, то получится, что интеференции на экране не будет видно и в случае с зеркалом. Но интерференция проявится, если начать считать только точки, соответствующие одному из направлений вылета фотонов с полупрозрачного зеркала.

[Outer]

warlock66613, уточните что Вы имеете в виду?
На какой картинке экран D0 покажет интерференцию - на левой или на правой?



Насколько я понимаю, если полупрозрачное зеркало ПП-4 установлено (левая картинка), т.е. работает "квантовый ластик", то экран D0 однозначно показывает интерференцию, если ПП-4 убрать (правая картинка), то интерференция на экране D0 исчезает, так?

[warlock66613]

Ни на какой из картинок наблюдаемой интерференции не будет.

[Outer]

Т.е. Вы хотите сказать, что "квантовый ластик" собранный по такой схеме (левая картинка), не будет работать?