delayed choice quantum erasure

[109]

это в продолжение славной традиции жежешных лекций. кто о чём рассказывает, а я о квантовой сути природы.

сегодня я расскажу про mind-boggling эксперимент, который добавляет весьма весомый кусок в понимание - или, скорее, непонимание того, как устроена природа на квантовом уровне. эксперимент, для которого нет приемлемого объяснения в рамках копенгагенской интерпретации.

для начала напомню вкратце про double-slit эксперимент. в непрозрачной пластине делаем две прорези на таком расстоянии друг от друга, чтобы, если с одной стороны на них светить светом, с другой стороны получалась интерференционная картина. расстояние это довольно макроскопично - миллиметры в случае видимого света.

с волновой точки зрения ничего удивительного - прорези становятся как бы новыми источниками волн и эти новые волны интерферируют друг с другом. однако же, интерферирует не только свет. интерферируют электроны, нейтроны, и даже фуллерены - молекулы, содержащие аж 60 атомов углерода.

далее, приходится отбросить также теорию о том, что частицы, одновременно пролетающие через разные щели, как-то взаимодействуют друг с другом - ибо эксперимент можно поставить так, чтобы излучать только одну частицу, а интерференционная картина всё равно образуется. поэтому приходится признать, что каждая частица каким-то образом проходит одновременно через обе щели и далее интерферирует "сама с собой".

тут начинается конец материализма, сначала чуть-чуть, дальше - больше.

для того чтобы частица прошла через обе щели (и поучаствовала в создании интерференционной картины), необходимо и достаточно, чтобы мы не знали, через какую щель она прошла.

перечитайте ещё раз.

звучит совершенно нереально, не так ли? тем не менее, это чистая правда. казалось бы, какое влияние может иметь нематериальное "знание" на физическую реальность? а вот.

более, того, эксперимент можно гарантированно поставить так, чтобы получать "знание" абсолютно без какого-либо физического воздействия на частицу, проходящую через двойную прорезь. для этого используют так называемые entangled частицы (look it up). конкретно, для экспериментов по quantum erasure использовали entangled photons, получаемые при поглощении более высокоэнергичных фотонов боратом бария (насколько я помню). результатом является пара фотонов, имеющих одинаковую поляризацию и разлетающихся в строго противоположных направлениях. один такой фотон летит через двойную прорезь, другой - сквозь поляризованный фильтр на детектор, так что мы знаем его поляризацию - и, соответственно, поляризацию первого фотона.

пока ничего не изменилось, мы не знаем, через какую именно из двух щелей проходит первый фотон, интерференционная картина есть. теперь мы ставим за щелями поляризованные фильтры - один с таким же направлением поляризации, как у второго фотона, другой - перпендикулярно. теперь для каждого фотона, попавшего в результате на экран, мы можем сказать, через какую щель он прошёл - потому что мы измеряли поляризацию его брата-близнеца. результат - интерференции нет.

теперь - внимание! quantum erasure! перестаём измерять поляризацию близнеца (поляризованные фильтры за щелями остаются). интерференционная картина восстановилась, хотя никаких (казалось бы) физических изменений мы не сделали - изменилось только наше знание о поляризации.

с этим экспериментом копенгагенская интерпретация ещё кое-как справляется, пожертвовав свойством локальности (волновая функция фотонов, которые entangled, мгновенно коллапсирует в момент измерения поляризации второго фотона вне зависимости от расстояния между фотонами).

и теперь самое интересное - delayed choice quantum erasure. второй фотон перед проходом через фильтр можно пропустить через полупрозрачный сплиттер, который половину фотонов случайным образом будет посылать в одну сторону, через поляризатор на детектор №1, а вторую - без поляризатора на детектор №2.

если вы свыклись, или просто смирились с результатом предыдущего эксперимента, то, наверно, сможете предсказать результат этого. подмножество фотонов, "братья" которых попали на детектор №2, образовали интерференционную картину, а фотоны, "братья" которых попали на детектор №1, не образовали. ну и что ж тут такого, типа.

mind-boggling part здесь в том, что сплиттер можно поставить далеко. а результат эксперимента всё равно такой же. то есть получается, что первый фотон попал на экран и образовал (или не образовал) интерференционную картину до того, как его брат прошёл через сплиттер. hence: delayed choice. выбор, участвовать ли в интерференционной картине, принимается после того, как первый фотон уже зарегистрирован в какой-то совершенно определённой точке на экране. иными словами - выбор, проходить ли фотону через одну, или через обе щели, принимается после того, как фотон уже прошёл через одну или обе щели.

копенгагенское объяснение, разумеется, состоит в том, что регистрация первого фотона экраном коллапсирует волновую функцию и приводит к тому, что сплиттер направляет второй фотон по совершенно определённому пути - например, туда, где стоит фильтр. такое мгновенное "управление" сплиттером на расстоянии как-то совсем нефизично. ничем не лучше, чем принять возможность сигналов "из будущего" от второго фотона к первому, что тоже, в общем, воспринимается примерно как вечный двигатель.

такое впечатление, что природа is fucking with scientists. думаю, что новая интерпретация не за горами. эксперимент этот про delayed choice, кстати, относительно новый - 1999 год.

ссылки приветствуются, копирование в интернете - только с линком на оригинал (сюда). если кто из традиционных изданий захочет напечатать - обращайтесь за копирайтом.

Comments

[lnvp.livejournal.com]

Я, конечно, некопенгаген (физику учил плохо), но как этот эксперимент выглядит в many-worlds interpretation? Тут в последнем SciAm была статья про Еверетта, с душещипательными подробностями творческой биографии, семейной жизни и, практически, историей болезни.

[anton-solovyev.livejournal.com]

Глупости это все. Философия физики. Теория не существует, чтобы соглашаться с твоим "здравым смыслом" или что-либо "объяснять". Теория существует чтобы работать (делать предсказания) в пределах границ применимости.

Рекомендуемое чтение (правильное введение в квантовую механику) -- Л.Д.Фаддеев, "Квантовая механика для математиков". Для математиков потому, что физики квантовой механики не понимают и не умеют. Да здравствует фон Нейман.

[faceted-jacinth.livejournal.com]

Там-то как раз всё совершенно очевидно -- действительно, тыкнувшийся в стенку фотон коллапсирует ВФ сразу всего мира (разделяя его на два), в результате в каждом из них тот фотон, который собирается лететь через сплиттер, обретает фиксированную поляризацию и летит в нужном направлении. Да, фразу "такое мгновенное "управление" сплиттером на расстоянии как-то совсем нефизично," видимо, следует читать как "такое мгновенное "управление" вторым фотоном на расстоянии как-то совсем нефизично," в результате значительная часть нефизичности исчезает.

Я, кстати, почитал про тот эксперимент, там дико забавно всё выглядит, на самом деле: ежели смотреть только на экран, то никакой интерференции нет, но если потом взять инфу с детекторов и разделить все эвенты на группы, то в тех группах, в которых инфу о прохождении стёрли, становится видна интерференция. То есть как бы всё не так страшно, как могло бы быть.

[109.livejournal.com]

не, не, ты похоже, немного не въехал, no offence. прохождение через сплиттер совершенно случайно, поляризатор стоит ЗА сплиттером. поэтому даже с помощью "появившейся поляризации" нет никакого физического объяснения управлению сплиттером.

более того, говорить "обретает фиксированную поляризацию" тоже неправильно, не сама поляризация появляется, а флипается бит "знаем поляризацию / не знаем поляризацию", сама поляризация при этом может быть любой.

да, я в своём описании упростил описание эксперимента для лучшего понимания - вроде бы, не выплеснув с водой ребнка.

[109.livejournal.com]

many worlds тоже плохо объясняет (см. мой ответ faceted_jacinth). кроме того, many worlds вообще плохо тянет на интерпретацию, основная задача которой - добавить "физичности".

[109.livejournal.com]

не тормозим. интерпретации проверяются, ибо вводят независимые сущности. читать про формализм интерпретаций, в википедии хорошая статья. вон - "скрытые параметры" - самая физичная интерпретация была, до экспериментов Аспекта. философия тут ни при чём, всё строго физично. просто сильно твёрдый орешек попался.

[109.livejournal.com]

если стараться быть ещё более точным, флипается бит "узнАем поляризацию / не узнАем поляризацию [после того, как второй фотон пройдёт через сплиттер]". понятно, что разделение на два мира при этом никак не помогает, в каждом из них сплиттер должен работать как положено, а именно - половину в одну сторону, половину - в другую, случайным образом.

[lnvp.livejournal.com]

Последний абзац (про разделение на группы) меня совсем сбил с толку, я наверно тоже почитаю про эксперимент как-нибудь.

Непонятно теперь вот что: "интерференции нет" значит, насколько я понимаю, картинку из точек напротив щелей с независимым одинаковым распределением точек напротив каждой щели (скажем, нормальным - т.е. имеем сумму двух гауссовых пятен из точек).

Теперь, из всех точек отбираем те, в которых стиралась информация. Эти точки, взятые отдельно от других, дают интерференционную картину (ну, несколько полосок).

А что же оставшиеся точки - там два пятна минус полоски? Это получается какой-то третий типа распределения, частично нет интерференции, частично есть? Ладно, надо самому читать, в любом случае.

[lnvp.livejournal.com]

Кажется, понял - третьего типа нет, если из гауссовского вычесть полоски, останутся полоски в противофазе.

[lnvp.livejournal.com]

Всё-таки, если сравнить твоё описание с статьёй про Delayed choice quantum eraser эксперимент, такое впечатление, что ты намеренно сбиваешь с толку, представляя, как манипуляции со вторым фотоном после попадания первого фотона на экран меняют картину этого попадания. Если плясать от первого фотона (именно его точка попадания на экран определяет вероятности нахождения второго фотона в том или ином состоянии), можно как-то "более физично" всю картину объяснить. Я сейчас уже устал разбираться, но по-моему в таком ракурсе можно картинку прочистить.

[109.livejournal.com]

да ты ведь совершенно то же сказал, что и я. точка попадания на экран первого фотона определяет, в какую сторону сплитнется второй фотон. несмотря на то, что сплиттер по определению у нас такой девайс, который случайным образом фотоны налево-направо разбрасывает, вне зависимости от поляризации или чего-либо ещё. то есть причинность от первого фотона ко второму ни разу не физична. физическая причинность здесь идёт строго в противоположном направлении: то, куда засплиттился второй фотон, определяет, знаем ли мы поляризацию, или нет, и, соответственно, будет ли первый фотон участвовать в интерференции, или нет.

[109.livejournal.com]

(продолжение) именно же так и объясняется всё в обычном quantum erasure - типа вот как копенгагенская интерпретация классно работает; регистрация второго фотона коллапсирует волновую функцию, и первый фотон поэтому знает, интерферировать ему, или нет. если мы принимаем это объяснение, то для delayed choice надо признать получение первым фотоном информации "из будущего".

[anatolix.livejournal.com]

Вообщем все просто - у нас тут "матрица"(т.е. мир считает большой компьютер) и основана она вся на lazy вычислениях. Поэтому когда замеряешь - вычисление срабатывает, а до этого нет :).

[109.livejournal.com]

да, похоже. и в случае delayed choice - никакой причинности нет на самом деле, а есть подгонка результата под констрейнты. но это грустно :(

[metaclass.livejournal.com]

В статье про эксперимент написано, что фотоны разделяются сплиттером уже после двух щелей, т.е. сплиттер стоит в детекторе.

[metaclass.livejournal.com]

Ага и объясняют результат тем, что интерференция возникает уже после регистрации всех фотонов - т.е. когда будет выделено подмножество фотонов, для которых неизвестно, через какую из щелей он прошел.

[109.livejournal.com]

в настоящем эксперименте целых три сплиттера, зато нет поляризаторов :) я же старался упростить изложение, поэтому взял просто quantum erasure experiment и добавил туда минимум, чтобы получился delayed choice.

[anton-solovyev.livejournal.com]

Blah-blah-blah. Вопрос в чем?

Не предсказывается результат эксперимента? Какого?

Предсказывается, но нельзя проверить? Какой?

Предсказывается и проверяется? Все. Все свободны.

"Интерпретации" интересны читателям популярных книжек и прочим бездельникам.

Остальные решают задачи квантовой механики, которые сводятся к манипулированию самосопряженными операторами в гильбертовом пространстве.

Классическая (и релятивистская) квантовая механика вообще я не знаю кому уже интересна. Инструмент есть, решайте себе задачи, хоть так, а хоть компьютером. Это же не квантовая теория поля.

[anton-solovyev.livejournal.com]

И я очень серьезно рекомендую взять книжку Фаддеева (Фаддев Л.Д., Якобовский О.А. Лекции по квантовой механике для студентов-математиков). Исключительная книжка.

[109.livejournal.com]

я как бы больше одной книжки по теме прочитал в своей жизни. не уверен, что Фаддеев мне добавит. фамилия, кстати, знакомая - может и читал.

[anton-solovyev.livejournal.com]

Хм. Если ты pro, то почему такие странные вопросы? Вся эта "загадочная" наука -- это третий год типичного физфака. К этому моменту у студента уже не должно возникать вопросов о том, как работает физика.

Так в чем состоит твой вопрос?

Иными словами, где не работает (в пределах границ применимости) классическая квантовая механика?

[109.livejournal.com]

ну почитай ты про формализм интерпретаций хоть немного. ссылку дать?

часть интерпретаций экспериментально различима. эта часть, в свою очередь, делится на две - экспериментально различима сегодня и экспериментально различима в принципе. к "сегодня", например, относится теория скрытых параметров, про которую я уже упоминал.

самое интересное - это интерпретации, для которых ещё не придумано даже мысленного эксперимента, способного различить их. тут самый что ни на есть передний край науки - придумать эксперимент, объяснение которого в рамках какой-то интерпретации будет совсем уж кривым. вот как, например, delayed choice erasure. все теории/интерпретации, не предусматривающие процессов, идущих в обратную сторону по стреле времени, выглядят бледно. transactional interpretation, наоборот, играет новыми цветами.

манипулирование же самосопряжёнными операторами как раз никому не интересно. "задачи" студенты решают, а маститые дядьки полируют углы тех или иных теорий. наука, вообще, не занимается использованием инструментов. инженерия занимается. а наука занимается, в области инструментов, созданием новых.

[109.livejournal.com]

ты задаёшь неправильный вопрос. с точки зрения учёного. (с точки зрения инженера, наверное, правильный).

[anton-solovyev.livejournal.com]

Я очень долго учился (на физфаке), но про "интерпретации" ничего не знаю.

Также я никогда не слышал, чтобы к основаниям классической квантовой механики на сегодняшний день были какие-то вопросы.

Если есть внятный вопрос и эксперимент, способный его проверить, то где можно посмотреть на результат эксперимента?

"Интерпретации" к науке не имеют отношения вообще. Физика так не работает. Правила игры (очень упрошенно) таковы: вы получаете инструмент (теорию) и ее применяете. Работает (в пределах применимости) -- move along people nothing to see here anymore. Оно не обязано make sense твоему "здравому смыслу" или объяснять результаты мысленных экспериментов.

И, конечно, классическая квантовая механика (и релятивистская) -- уже не передний, не средний и даже не задний край науки. Это такой же примерно край, как ньютонова механика или СТО.

[anton-solovyev.livejournal.com]

Ага. Еще раз советую читать что-нибудь про философию физики.

То, что там выше написано -- единственно корректный вопрос к физической теории. Физика так работает: получили инструмент, построенный и работающий по определенным правилам, проверили работоспособность, пошли дальше.

Чем дальше мы от мира ньютоновой механики, тем меньше шанс, что новые теории будут согласовываться с обыденным здравым смыслом. Такова жизнь, tough.