Testador de bomba Elitzur-Vaidman - Elitzur–Vaidman bomb tester

Diagrama do problema do teste de bomba. A - emissor de fótons, B - bomba a ser testada, C, D - detectores de fótons. Os espelhos nos cantos inferior esquerdo e superior direito são semitransparentes .

O testador de bombas Elitzur-Vaidman é um experimento mental de mecânica quântica que usa medições sem interação para verificar se uma bomba é funcional sem ter que detoná-la. Foi concebido em 1993 por Avshalom Elitzur e Lev Vaidman . Desde sua publicação, experimentos do mundo real confirmaram que seu método teórico funciona como previsto.

O testador de bomba tira vantagem de duas características das partículas elementares , como fótons ou elétrons : não localidade e dualidade onda-partícula . Ao colocar a partícula em uma superposição quântica , é possível para o experimento verificar que a bomba funciona sem acionar sua detonação, embora ainda haja 50% de chance de a bomba detonar com o esforço.

Fundo

O teste de bomba é uma medição livre de interação . A ideia de obter informações sobre um objeto sem interagir com ele não é nova. Por exemplo, existem duas caixas, uma das quais contém algo e a outra não contém nada. Se você abre uma caixa e não vê nada, sabe que a outra contém algo, sem nunca abri-la.

Este experimento tem suas raízes no experimento de dupla fenda e outros conceitos mais complexos que o inspiraram, incluindo o gato de Schrödinger e o experimento de escolha retardada de Wheeler . O comportamento das partículas elementares é muito diferente do que experimentamos em nosso mundo macroscópico. Seu comportamento observado pode ser o de uma onda ou de uma partícula (ver dualidade onda-partícula ), seu comportamento ondulatório implica o que é chamado de " superposição ". Nesse estado, algumas propriedades da partícula, por exemplo, sua localização, não são definidas. Enquanto em uma superposição, todas e quaisquer possibilidades são igualmente reais. Portanto, se a partícula pudesse existir em mais de um local, em certos sentidos que são experimentalmente úteis, ela existe em todos eles simultaneamente. A onda da partícula pode mais tarde ser " colapsada " ao observá-la, momento em que sua localização (ou outra propriedade medida) no momento da observação é definida. As informações podem então ser obtidas não apenas sobre o estado real da partícula, mas também sobre outros estados ou locais nos quais ela "existia" antes do colapso. Essa coleta de informações é possível mesmo que a partícula nunca tenha estado de fato em nenhum dos estados ou locais específicos de interesse.

Como funciona

Figura 1: Uma ilustração do experimento usando um interferômetro Mach-Zehnder
Figura 2: Legenda da Fig. 1

Considere uma coleção de bombas sensíveis à luz , algumas das quais são insatisfatórias . Quando seus gatilhos detectam qualquer luz, mesmo um único fóton , a luz é absorvida e a bomba explode. Os gatilhos das bombas não têm sensor, portanto, qualquer luz incidente na bomba não será absorvida e, em vez disso, passará direto. A bomba falsa não detectará nenhum fóton e não detonará. É possível determinar quais bombas são funcionais e quais são insensatas sem detonar todas as vivas?

Componentes

  • Uma bomba fotossensível: não se sabe se é viva ou falsa.
  • Emissor de fótons: produz um único fóton para os fins do experimento.
  • Um fóton: após ser emitido, ele viaja pela caixa abaixo.
  • Uma "caixa" que contém:
    • Um espelho inicial meio prateado: o fóton entra na caixa quando encontra esse " divisor de feixe ". O fóton vai passar pelo espelho e viajar ao longo do "caminho inferior" dentro da caixa, ou será refletido em um ângulo de 90 graus e percorrerá o "caminho superior" da caixa.
    • A bomba em questão: a bomba é colocada previamente dentro da caixa no "caminho inferior". Se a bomba estiver viva e entrar em contato com um fóton, ela detonará e destruirá a si mesma e ao fóton. Se, entretanto, a bomba for um fracasso, o fóton passa por ela e continua seu caminho ao longo do caminho inferior.
    • Um par de espelhos comuns: um espelho está localizado em cada caminho do feixe. Eles são posicionados para redirecionar o fóton de modo que os dois caminhos se cruzem na mesma posição do segundo divisor de feixe.
    • Um segundo divisor de feixe: idêntico ao inicial. Este divisor de feixe é posicionado em frente ao primeiro, na intersecção entre o caminho inferior e o caminho superior (após terem sido redirecionados pelos espelhos comuns), na saída da caixa.
  • Um par de detectores de fótons: localizados fora da caixa, eles estão alinhados com o segundo divisor de feixe. O fóton pode ser detectado em um ou nenhum dos dois, mas nunca em ambos.

Parte 1: A superposição

Figura 3: Uma vez que o fóton encontra o divisor de feixe, ele entra em uma superposição em que passa e reflete no espelho meio prateado

Uma superposição no testador de bomba é criada com um espelho meio prateado em ângulo , que permite que um fóton passe por ele ou seja refletido em um ângulo de 90 graus (veja a figura 3). Há uma probabilidade igual de que isso aconteça. O fóton entra em uma superposição, na qual faz as duas coisas. A única partícula passa e é refletida no espelho meio prateado. A partir desse momento, o único fóton existe em dois locais diferentes.

Ao longo do caminho superior e inferior, a partícula encontrará um espelho comum, posicionado para redirecionar as duas rotas uma para a outra. Eles então se cruzam em um segundo espelho meio prateado. Por outro lado, um par de detectores é colocado de forma que o fóton possa ser detectado por qualquer um dos detectores, mas nunca por ambos. Também é possível que não seja detectado por nenhum deles. Com base neste resultado, com uma bomba ao vivo, há 50% de chance de ela explodir, 25% de chance de ser identificada como boa sem explodir e 25% de chance de não haver resultado.

Parte 2: a bomba

Figura 4: Se a bomba estiver ativa, ela irá absorver o fóton e detonar. Se for um fracasso, o fóton não é afetado e continua ao longo do caminho inferior.
Figura 5 Como na Figura 4, o fóton percorre o caminho inferior em direção à bomba, mas em uma superposição, onde também percorre o caminho superior.

Uma bomba sensível à luz é colocada ao longo do caminho inferior. Se a bomba for boa, quando um fóton chegar, ele explodirá e ambos serão destruídos. Se for um fracasso, o fóton passará sem ser afetado (veja a figura 4). Para entender como funciona esse experimento, é importante saber que a bomba é uma espécie de observador e que esse encontro é uma espécie de observação. Ele pode, portanto, colapsar a superposição do fóton, na qual o fóton está viajando ao longo dos caminhos superior e inferior. Quando atinge a bomba ativa ou os detectores, no entanto, só pode ter estado em um ou outro. Mas, como o material radioativo na caixa com o famoso gato de Schrödinger, ao encontrar o espelho meio prateado no início do experimento, o fóton, paradoxalmente, interage e não interage com a bomba. Segundo os autores, a bomba explode e não explode. No entanto, isso é apenas no caso de uma bomba ao vivo. Em qualquer caso, uma vez observado pelos detectores, terá percorrido apenas um dos caminhos.

Parte 3: O segundo espelho meio prateado

Figura 6: O segundo espelho meio prateado e os dois detectores são posicionados de forma que o fóton só chegue ao Detector C se houver interferência de onda. Isso só é possível se a bomba for um fracasso.

Quando duas ondas colidem, o processo pelo qual elas afetam uma à outra é chamado de interferência . Eles podem fortalecer um ao outro por "interferência construtiva" ou enfraquecer um ao outro por "interferência destrutiva". Isso é verdade quer a onda esteja na água ou um único fóton em uma superposição. Portanto, embora haja apenas um fóton no experimento, por causa de seu encontro com o espelho meio prateado, ele age como dois. Quando "isso" ou "eles" são refletidos nos espelhos comuns, ele interfere em si mesmo como se fossem dois fótons diferentes. Mas isso só é verdade se a bomba for um fracasso. Uma bomba viva absorverá o fóton quando explodir e não haverá oportunidade para o fóton interferir em si mesmo.

Quando atinge o segundo espelho meio prateado, se o fóton no experimento está se comportando como uma partícula (em outras palavras, se não está em uma sobreposição), então ele tem cinquenta por cento de chance de passar ou ser refletido e ser detectado por um ou outro detector. Mas isso só é possível se a bomba estiver ativa. Se a bomba "observou" o fóton, ela detonou e destruiu o fóton no caminho inferior, portanto, apenas o fóton que tomar o caminho superior será detectado, seja no Detector C ou no Detector D.

Parte 4: Detectores C e D

Figura 7: Se a bomba estiver ativa, e o fóton tomou o caminho superior, não há chance de interferência no segundo espelho meio prateado, e assim, assim como foi o caso no primeiro, ele tem uma chance igual de refletir fora dele ou passando por ele e chegando ao detector C ou D. Esta é a única maneira pela qual ele pode chegar a D, significando uma bomba viva (não explodida).

O detector D é a chave para confirmar que a bomba está ativa.

Os dois detectores e o segundo espelho meio prateado estão precisamente alinhados um com o outro. O detector C está posicionado para detectar a partícula se a bomba for um fracasso e a partícula percorreu os dois caminhos em sua superposição e, então, interferiu construtivamente em si mesma. O detector D está posicionado para detectar o fóton apenas no caso de interferência destrutiva - uma impossibilidade (veja a figura 6). Em outras palavras, se o fóton estiver em uma superposição no momento em que chegar ao segundo espelho meio prateado, ele sempre chegará ao detector C e nunca ao detector D.

Se a bomba estiver ativa, há uma chance de 50/50 de que o fóton tenha tomado o caminho superior. Se "factualmente" o fez, então "contrafactualmente" tomou o caminho inferior (ver figura 7). Esse evento contrafactual destruiu aquele fóton e deixou apenas o fóton no caminho superior para chegar ao segundo espelho semiprateado. Nesse ponto, ele terá, novamente, uma chance de 50/50 de passar por ele ou ser refletido dele e, posteriormente, será detectado em qualquer um dos dois detectores com a mesma probabilidade. Isso é o que torna possível para o experimento verificar se a bomba está ativa sem realmente explodi-la.

Resultados

Com uma bomba ao vivo, pode haver três resultados possíveis:

  1. Nenhum fóton foi detectado (50% de chance).
  2. O fóton foi detectado em C (25% de chance).
  3. O fóton foi detectado em D (25% de chance).

Estes correspondem às seguintes condições da bomba que está sendo testada:

  1. Nenhum fóton foi detectado : a bomba explodiu e destruiu o fóton antes que ele pudesse ser detectado. Isso porque o fóton de fato tomou o caminho inferior e acionou a bomba, destruindo-se no processo. Há 50% de chance de que esse seja o resultado se a bomba estiver ativa.
  2. O fóton foi detectado em C : Este será sempre o resultado se a bomba for um fracasso, no entanto, há 25% de chance de que esse seja o resultado se a bomba estiver ativa. Se a bomba for um fracasso, é porque o fóton permaneceu em sua superposição até atingir o segundo espelho meio prateado e interferir construtivamente em si mesmo. Se a bomba estiver ativa, é porque o fóton de fato tomou o caminho superior e passou pelo segundo espelho meio prateado.
  3. O fóton foi detectado em D : a bomba está viva, mas não explodiu. Isso porque o fóton de fato tomou o caminho superior e refletiu no segundo espelho meio prateado, algo possível apenas porque não havia fóton do caminho inferior com o qual ele pudesse interferir. Esta é a única maneira pela qual um fóton pode ser detectado em D. Se este for o resultado, o experimento verificou com sucesso que a bomba está viva, apesar do fato de que o fóton nunca "factualmente" encontrou a própria bomba. Há 25% de chance de que esse seja o resultado se a bomba estiver ativa.

Se o resultado for 2, o experimento é repetido. Se o fóton continuar a ser observado em C e a bomba não explodir, pode-se concluir que a bomba é um fracasso.

Com este processo, 25% das bombas vivas podem ser identificadas sem serem detonadas, 50% serão detonadas e 25% permanecem incertas. Ao repetir o processo com as incertas, a proporção de bombas vivas não detonadas identificadas se aproxima de 33% da população inicial de bombas. Veja § Experimentos abaixo para um experimento modificado que pode identificar as bombas vivas com uma taxa de rendimento próxima de 100%.

Melhorando as probabilidades por meio da repetição

A probabilidade de explodir a bomba pode ser arbitrariamente pequena, repetindo a interação várias vezes. Ele pode ser modelado de maneira conveniente com o modelo de circuito quântico . Suponha que uma caixa que potencialmente contém uma bomba seja definida para operar em um único qubit de sonda da seguinte maneira:

  • Se não houver bomba, o qubit passa sem ser afetado.
  • Se houver uma bomba, o qubit é medido:
    • Se o resultado da medição for | 0⟩ , a caixa retornará | 0⟩ .
    • Se o resultado da medição for | 1⟩ , a bomba explode.

O seguinte circuito quântico pode ser usado para testar se uma bomba está presente:

Quantum Bomb Testing.png

Onde:

  • B é o sistema de caixa / bomba, que mede o qubit se uma bomba estiver presente
  • é a matriz unitária
  • é um grande número inteiro.

No final do circuito, o qubit da sonda é medido. Se o resultado for | 0⟩ , há uma bomba, e se o resultado for | 1⟩ , não há bomba.

Caso 1: Sem bomba

Quando não há bomba, o qubit evolui antes da medição como , que medirá como | 1⟩ (a resposta correta) com probabilidade .

Caso 2: bomba

Quando há uma bomba, o qubit se transforma no estado , então medido pela caixa. A probabilidade de medir como | 1⟩ e explodir é pela aproximação de pequeno ângulo . Caso contrário, o qubit entrará em colapso para | 0⟩ e o circuito continuará iterando.

A probabilidade de obter o resultado | 0⟩ após T iterações, e assim identificar corretamente que há uma bomba sem explodi-la, é dada por , que é arbitrariamente perto de 1. A probabilidade de a bomba ter explodido até então é , que é arbitrariamente pequena.

Interpretações

Os autores afirmam que a capacidade de obter informações sobre a funcionalidade da bomba sem nunca "tocá-la" parece ser um paradoxo. Isso, eles argumentam, é baseado na suposição de que há apenas um único resultado "real". Mas, de acordo com a interpretação de muitos mundos , cada estado possível da superposição de uma partícula é real. Os autores, portanto, argumentam que a partícula realmente interage com a bomba e ela explode, mas não em nosso "mundo".

Jean Bricmont ofereceu uma interpretação do teste de bomba Elitzur-Vaidman em termos da mecânica Bohmiana . Também foi argumentado que o teste da bomba pode ser construído dentro do modelo de brinquedo de Spekkens , sugerindo que é uma ilustração menos dramática da não-classicidade do que outros fenômenos quânticos, como a violação das desigualdades de Bell .

Experimentos

Em 1994, Anton Zeilinger , Paul Kwiat , Harald Weinfurter e Thomas Herzog realizaram um equivalente ao experimento acima, provando que medições sem interação são de fato possíveis.

Em 1996, Kwiat et al. desenvolveu um método, usando uma sequência de dispositivos de polarização, que aumenta com eficiência a taxa de rendimento para um nível arbitrariamente próximo a um. A ideia principal é dividir uma fração do feixe de fótons em um grande número de feixes de amplitude muito pequena e refleti-los todos do espelho, recombinando-os posteriormente com o feixe original. Também pode ser argumentado que esta construção revisada é simplesmente equivalente a uma cavidade ressonante e o resultado parece muito menos chocante nesta linguagem; ver Watanabe e Inoue (2000).

Em 2016, Carsten Robens, Wolfgang Alt, Clive Emary, Dieter Meschede e Andrea Alberti demonstraram que o experimento de teste de bomba Elitzur-Vaidman pode ser reformulado em um teste rigoroso da visão de mundo macro-realista com base na violação da desigualdade Leggett-Garg usando medidas negativas ideais. Em seu experimento, eles realizam o teste da bomba com um único átomo preso em uma rede óptica sintetizada por polarização. Esta rede óptica permite medições sem interação, entrelaçando o spin e a posição dos átomos.

Veja também

Referências

  • Elitzur, Avshalom C .; Lev Vaidman (1993). "Medições livres de interação mecânica quântica" (PDF) . Fundamentos da Física . 23 (7): 987–997. arXiv : hep-th / 9305002 . Bibcode : 1993FoPh ... 23..987E . CiteSeerX  10.1.1.263.5508 . doi : 10.1007 / BF00736012 . S2CID  18707734 . Recuperado em 01-04-2014 .
  • PG Kwiat; H. Weinfurter; T. Herzog; A. Zeilinger; MA Kasevich (1995). "Medição livre de interação". Phys. Rev. Lett . 74 (24): 4763–4766. Bibcode : 1995PhRvL..74.4763K . CiteSeerX  10.1.1.561.6205 . doi : 10.1103 / PhysRevLett.74.4763 . PMID  10058593 .
  • Z. Blanco-Garcia e O. Rosas-Ortiz, Interaction-Free Measurements of Optical Semitransparent Objects, J. Phys .: Conf. Ser. 698: 012013, 2016
  • A. Peruzzo, P. Shadbolt, N. Brunner, S. Popescu e JL O'Brien, A Quantum Delayed-Choice Experiment, Science 338: 634-637, 2012
  • F. Kaiser, T. Coudreau, P. Milman, DB Ostroswsky e S. Tanzilli, Entanglement-Enabled Delayed-Choice Experiment Science 338: 637-640, 2012
  • Vazirani, Umesh (13/11/2005). "Aplicações de busca quântica, efeito zeno quântico" (PDF) . EECS Berkeley.

Notas

Leitura adicional