Демонстрационный набор бесконтактных измерений Элицура—Вайдмана

Описание

- Предназначен для использования в образовательных, демонстрационных и учебных аудиториях;

- Полный комплект Photonics включает в себя все оборудование, кроме вольтметра, а также подробное руководство и учебные материалы;

- Легко собрать и использовать;

- Выберите из образовательных комплектов, содержащих компоненты в дюймовой или метрической системе.

Подробнее о демонстрационном наборе

- Фотоны создают интерференционную картину в интерферометре Майкельсона;

- Исследование принципа квантового измерения без взаимодействия;

- «Маркировка» фотона информацией о пути разрушает интерференционную картину.

Демонстрационный набор от Thorlabs использует эксперимент для демонстрации принципа «квантового измерения без взаимодействия», обсуждаемого в теоретическом эксперименте «Bomb Tester» (опубликованном Элицуром и Вайдманом в 1991 году). Этот учебный лабораторный набор включает в себя компоненты для создания интерферометра Майкельсона, экран для наблюдения за полосами и детектор для измерения изменений интенсивности света, выходящего из интерферометра.

Хотя для некоторых экспериментов требуется вольтметр, мы не включили его в этот учебный комплект, так как они уже есть во многих физических лабораториях. Для клиентов, которые хотели бы приобрести вольтметр для использования с комплектом, у Thorlabs есть цифровой мультиметр.

Интерференционные полосы, создаваемые интерферометром Майкельсона

Демонстрационный набор бесконтактных измерений Элицура—Вайдмана

Теоретический эксперимент «Bomb Tester» демонстрирует принцип квантового измерения без взаимодействия, предлагая сценарий, в котором можно обнаружить присутствие бомбы (срабатываемой взаимодействием с фотоном) без ее детонации. Демонстрационный набор включает в себя руководство, которое проводит студентов через теоретический эксперимент, а также компоненты и инструкции по построению эксперимента в классе.

Теоретическая схема эксперимента

Теоретический эксперимент

В стандартном интерферометре Майкельсона свет выходит из лазера и разделяется на два луча светоделителем. Затем свет проходит по двум перпендикулярным плечам разной длины. Зеркала на конце каждого плеча отражают свет обратно к светоделителю, где лучи объединяются. Если длины пути различаются на целое число волн, рекомбинированные лучи будут конструктивно интерферировать друг с другом, создавая яркое пятно на экране наблюдения, расположенном за светоделителем. В качестве альтернативы, если пути различаются на нечетное количество полуволн, два луча будут мешать друг другу.

Эксперименты по интерференции также можно проводить, пропуская через интерферометр одиночный фотон, а не непрерывный поток света. Согласно квантовой механике, каждый фотон имеет два возможных состояния в интерферометре, которые соответствуют присутствию фотона в каждом плече. Наблюдаемая интерференционная картина создается суперпозицией волновых функций, описывающих эти состояния. В результате любой фотон, посланный через систему, может достичь экрана только там, где две волновые функции не мешают друг другу, то есть в одно из ярких колец, наблюдаемых в стандартном эксперименте, когда фотоны проходят через систему непрерывно. Если положение на экране отдельного фотона, посланного через систему, будет записано в течение многих испытаний, интерференционная картина будет воспроизведена.

Наконец, подумайте, что произойдет с интерференционной картиной, если один из возможных путей, по которому может пройти фотон, будет «отмечен». Принцип неопределенности Гейзенберга предсказывает, что в квантово-механических масштабах определенные пары информации не могут быть известны одновременно. Например, чем точнее известно положение частицы, тем менее точно можно определить ее импульс. «Маркировка» пути через интерферометр дает информацию о местонахождении фотона, что разрушит суперпозицию состояний волновой функции и сотрет интерференционную картину.

Теоретический эксперимент бесконтактных измерений, как эти принципы могут быть использованы для обнаружения объекта без взаимодействия с ним фотона. Эксперимент предполагает, что существует определенное количество бомб, которые могут взорваться после поглощения фотона. Некоторые из бомб активны, а другие – неразорвавшиеся. Невозможно различить неразорвавшиеся и активные бомбы, если они не взаимодействуют со светом. Квантовая механика системы «какой путь» может быть использована для выполнения этого теста без детонации всех активных бомб.

Для выполнения измерения интерферометр Майкельсона выравнивается так, чтобы на интерференционной картине было темное пятно в центре, а этот центральный минимум был совмещен со входом детектора, а не с экраном. Бомба помещается в одно плечо интерферометра, и в систему пропускается одиночный фотон. Если бомба неразорвавшаяся, она вообще не будет взаимодействовать с фотоном. Волновые функции фотона в каждом плече интерферометра мешают, и фотон не попадает на поверхность детектора. Если бомба активна, она может взаимодействовать с фотоном. Это «отмечает» плечо интерферометра, содержащего бомбу, разрушая суперпозицию состояний. Фотон может быть обнаружен бомбой или детектором. Если фотон взаимодействует с бомбой, бомба взорвется. Если фотон достигает детектора, мы знаем, что волновая функция коллапсировала в плечо интерферометра без бомбы; отсутствие обнаружения бомбой означает, что фотон должен пройти в другом плече. Таким образом, бомбы можно отсортировать, не взрывая все активные бомбы.

Имитация эксперимента в наборе Thorlabs

Интерферометр настроен так, что деструктивная интерференция возникает в центре интерференционной картины, и детектор размещается в этом месте. Сценарий с «бездействием» моделируется путем удержания обоих плеч интерферометра свободными от препятствий, а показания напряжения с детектора записываются с помощью поставляемого пользователем вольтметра или мультиметра, такого как цифровой мультиметр DVM1. Затем одно плечо интерферометра блокируется для имитации активной бомбы, и проводится второе измерение. Фигурки с вырезом включены в руководство как визуальные изображения «неразорвавшейся бомбы» и активной бомбы. Как и в теоретическом эксперименте, свет на детекторе увеличивается, когда объект помещается в одно плечо детектора, поскольку интерференционная картина разрушена. Доля общей мощности, обнаруженная при блокировке одного плеча интерферометра, представляет собой вероятность обнаружения фотона, когда в установку помещена активная бомба.

Комплектация набора: