Демонстрационный набор квантового ластика

Описание

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

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

- Легко собрать и использовать;

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

Подробнее о демонстрационном наборе

- Фотоны создают интерференционную картину в интерферометре Маха-Цендера;

- Демонстрирует дуализм света частица / волна;

- Поляризационные «метки» и «стирание» информации о пути каждого фотона.

Образовательный лабораторный набор от Thorlabs демонстрирует квантово-механический принцип дополнительности и стирания информации о пути фотона. Этот эксперимент, созданный для демонстрации фундаментальных принципов квантовой физики, ясно показывает, насколько природа часто противоречит здравому смыслу.

Полосы помех отображаются только на левом экране просмотра, где информация о пути была стерта

Теоретическое обоснование

В эксперименте с квантовым ластиком одиночные фотоны излучаются в интерферометр Маха-Цендера. Используя линейные поляризаторы, фотоны «помечаются» как имеющие состояние горизонтальной или вертикальной поляризации, указывая, через какую сторону интерферометра они прошли. Интерференционная картина (свойство волны) и информация о пути (свойство частицы) не могут быть измерены одновременно, поскольку измерение информации о пути разрушает интерференционную картину. Третий линейный поляризатор, помещаемый после того, как лучи были рекомбинированы, «стирает» информацию о пути, снова делая фотоны анонимными и, таким образом, восстанавливая интерференционную картину.

Вместо использования одиночных фотонов, как в оригинальном эксперименте с квантовым ластиком, в этом комплекте используется зеленый непрерывный (CW) лазерный источник света, который создает луч, видимый глазом. Хотя результат эксперимента можно объяснить с помощью классической физики, использование квантово-механического описания дает прекрасную аналогию с экспериментом с однофотонным квантовым ластиком.

Эксперимент квантового ластика

Эксперимент квантового ластика демонстрирует квантово-механические принципы дополнительности, информации о пути и суперпозиции. Интерферометр можно использовать для демонстрации волновой природы света, создав два оптических пути, длина которых немного различается. Согласно классической интерпретации, свет попадает на экран после прохождения двух путей в интерферометре. Если разница в длинах пути равна целому числу волн, яркое пятно создается за счет конструктивной интерференции, а если разница в длине пути равна нечетному числу полуволн, темное пятно создается за счет деструктивной интерференции. Поскольку все световые лучи, проходящие через систему, не проходят эквивалентную длину пути из-за линзы, создается интерференционная картина «мишень».

Эксперименты по интерференции также можно проводить с источниками света, которые излучают по одному фотону за раз. Классическая интерпретация предсказывает, когда одиночный фотон проходит через интерферометр, ему предоставляется выбор, по какому пути следовать, и интерференционная картина не создается, поскольку весь свет проходит по одному пути. Однако классическая интерпретация не может быть применена к эксперименту, проведенному с одиночными фотонами, и она не даст точных результатов.

Согласно квантово-механической интерпретации эксперимента, фотон имеет два возможных состояния в интерферометре, соответствующих фотону в первом плече и фотону во втором плече. Волновые функции этих состояний накладываются друг на друга и интерферируют, и в результате фотон ударяет по экрану только в том месте, где можно было бы ожидать ярких полос, если бы присутствовали несколько фотонов. Отдельный фотон не может воспроизвести всю интерференционную картину сам по себе, но если в течение определенного периода времени регистрируется много отдельных фотонов, совокупный результат представляет собой интерференционную картину, идентичную той, которая создается в стандартном интерференционном эксперименте.

В квантово-механической интерпретации определенные пары информации не могут быть определены одновременно. Например, принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что чем точнее известно положение частицы в данный момент времени, тем менее точно известен импульс. Если существует информация (даже если она не измеряется наблюдателем), которая раскрывает одно свойство (в данном случае, какой путь прошел фотон), то каждая частица не будет демонстрировать волновой интерференции, поскольку суперпозиция волновых функций разрушается. Но если нет информации об одном измерении, волновые функции разных состояний фотона накладываются друг на друга, создавая тем самым интерференционную картину. Кроме того, если существует информация, которая раскрывает одно свойство, но затем эта информация уничтожается или «стирается» (так что информация о пути больше не может наблюдаться), частицы снова будут демонстрировать волновую интерференцию.

Таким образом, результат однофотонного интерферометра изменяется, если экспериментатор пытается измерить, по какому пути прошел фотон. Если измерение пути выполнено, больше нет двух состояний, которые могут мешать, и фотоны больше не создают интерференционную картину; вместо этого они создают одно большое пятно на экране. Однако, если информация о пути «стерта», так что ее невозможно измерить, интерференционная картина возвращается.

Демонстрация квантового ластика

Демонстрация квантового ластика Thorlabs является аналогом оригинального эксперимента с однофотонным квантовым ластиком, но использует непрерывный пучок фотонов, который виден невооруженным глазом. Интерферометр Маха-Цендера и зеленый лазерный диод используются для создания интерференционной картины, которая отображается на двух экранах, как показано на рисунке. Линейный поляризатор в каждом из двух путей прохождения сигнала позволяет свету с горизонтальной или вертикальной поляризацией проходить через него, предоставляя информацию о том, какой путь прошел данный фотон. Как и ожидалось, интерференционная картина исчезает. Третий поляризатор, помещенный после рекомбинации лучей и установленный под углом 45° к каждому из первых двух поляризаторов, служит для «стирания» информации о пути, и интерференционная картина появляется снова. Хотя эти результаты можно объяснить классическими свойствами поляризации света, квантово-механическое объяснение служит аналогией с однофотонным экспериментом.

Оптические компоненты и оптический путь

Комплектация набора:

В каждом комплекте поставляются все необходимые материалы для сборки, в том числе ключи, отвертки и винты.