Experimento com borracha quântica - Quantum eraser experiment
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Na mecânica quântica , o experimento da borracha quântica é um experimento de interferômetro que demonstra vários aspectos fundamentais da mecânica quântica , incluindo o emaranhamento quântico e a complementaridade . O experimento da borracha quântica é uma variação do clássico experimento de dupla fenda de Thomas Young . Ele estabelece que, quando uma ação é realizada para determinar por qual das 2 fendas um fóton passou, o fóton não pode interferir consigo mesmo. Quando um fluxo de fótons é marcado dessa maneira, as franjas de interferência características do experimento de Young não serão vistas. O experimento também cria situações em que um fóton que foi "marcado" para revelar por qual fenda passou pode mais tarde ser "desmarcado". Um fóton que foi "marcado" não pode interferir em si mesmo e não produzirá padrões de franjas, mas um fóton que foi "marcado" e depois "desmarcado" interferirá em si mesmo e produzirá as franjas características do experimento de Young.
O experimento
Este experimento envolve um aparato com duas seções principais. Depois que dois fótons emaranhados são criados, cada um é direcionado para sua própria seção do aparelho. Qualquer coisa feita para aprender a trajetória do parceiro emaranhado do fóton que está sendo examinado na parte de fenda dupla do aparato influenciará o segundo fóton e vice-versa. A vantagem de manipular os parceiros emaranhados dos fótons na parte da fenda dupla do aparato experimental é que os experimentadores podem destruir ou restaurar o padrão de interferência no último sem alterar nada naquela parte do aparato. Os experimentadores fazem isso manipulando o fóton emaranhado, e podem fazê-lo antes ou depois de seu parceiro passar pelas fendas e outros elementos do aparato experimental entre o emissor de fótons e a tela de detecção. Sob condições em que a parte de dupla fenda do experimento foi configurada para evitar o aparecimento de fenômenos de interferência (porque há informações definitivas de "qual caminho" presente), a borracha quântica pode ser usada para apagar efetivamente essas informações. Ao fazer isso, o experimentador restaura a interferência sem alterar a parte de dupla fenda do aparato experimental.
Uma variação desse experimento, borracha quântica de escolha atrasada , permite que a decisão de medir ou destruir a informação de "qual caminho" seja atrasada até depois que o parceiro da partícula emaranhada (aquele que passa pelas fendas) interferiu ou não em si mesmo. Em experimentos de escolha retardada, os efeitos quânticos podem imitar uma influência de ações futuras em eventos passados. No entanto, a ordem temporal das ações de medição não é relevante.
Primeiro, um fóton é disparado através de um dispositivo óptico não linear especializado : um cristal de beta borato de bário (BBO). Este cristal converte o único fóton em dois fótons emaranhados de frequência mais baixa, um processo conhecido como conversão paramétrica descendente espontânea (SPDC). Esses fótons emaranhados seguem caminhos separados. Um fóton vai diretamente para um detector de resolução de polarização, enquanto o segundo fóton passa pela máscara de dupla fenda para um segundo detector de resolução de polarização. Ambos os detectores são conectados a um circuito de coincidência , garantindo que apenas pares de fótons emaranhados sejam contados. Um motor de passo move o segundo detector para varrer a área alvo, produzindo um mapa de intensidade. Essa configuração produz o padrão de interferência familiar.
Em seguida, um polarizador circular é colocado na frente de cada fenda na máscara de fenda dupla, produzindo polarização circular no sentido horário na luz que passa por uma fenda e polarização circular no sentido anti-horário na outra fenda (ver Figura 1). (Qual fenda corresponde a qual polarização depende da polarização relatada pelo primeiro detector.) Essa polarização é medida no segundo detector, "marcando" os fótons e destruindo o padrão de interferência (ver leis de Fresnel-Arago ).
Finalmente, um polarizador linear é introduzido no caminho do primeiro fóton do par emaranhado, dando a esse fóton uma polarização diagonal (ver Figura 2). O emaranhamento garante uma polarização diagonal complementar em seu parceiro, que passa pela máscara de dupla fenda. Isso altera o efeito dos polarizadores circulares: cada um produzirá uma mistura de luz polarizada no sentido horário e anti-horário. Assim, o segundo detector não pode mais determinar qual caminho foi percorrido e as franjas de interferência são restauradas.
Uma fenda dupla com polarizadores giratórios também pode ser considerada considerando a luz como uma onda clássica. No entanto, este experimento usa fótons emaranhados, que não são compatíveis com a mecânica clássica.
Outras aplicações
A tecnologia de eliminação quântica pode ser usada para aumentar a resolução de microscópios avançados .
Equívoco comum
Um mal-entendido muito comum sobre esse experimento é que ele pode ser usado para comunicar informações instantaneamente entre dois detectores. É importante entender o papel do detector de coincidência nesta configuração experimental. O polarizador linear no caminho superior está efetivamente filtrando metade dos fótons emaranhados e, por meio do detector de coincidência, está filtrando os fótons correspondentes no caminho inferior. O detector de coincidência só pode funcionar comparando dados de ambos os sensores, tornando impossível usar esta configuração para comunicação instantânea.
Em outras palavras, apenas uma pequena porcentagem da luz que passa pelo cristal BBO é dividida em pares emaranhados. A grande maioria dos fótons que passam pelo cristal não é dividida e deve ser removida do conjunto de dados final como ruído indesejado. Uma vez que não há como os detectores medirem se um fóton fez ou não parte de um par emaranhado, essa decisão é tomada olhando para o tempo e filtrando quaisquer fótons que não sejam captados ao mesmo tempo que seus ' gêmeo 'no outro detector. Assim, quando um par de fótons emaranhados é criado, mas um dos dois é bloqueado por um polarizador e perdido, o fóton restante será filtrado do conjunto de dados como se fosse um dos muitos fótons não emaranhados. Quando visto dessa forma, não é surpreendente que fazer alterações no caminho superior possa ter um impacto nas medições feitas no caminho inferior, já que as duas medições estão sendo comparadas e usadas para filtrar os dados.
Observe que no estado final desta configuração experimental, as medições no caminho inferior sempre mostram um padrão borrado nos dados brutos. Ver um padrão de interferência só é possível filtrando os dados com o detector de coincidência e olhando apenas para os fótons que são 1/2 de um par emaranhado.