Тема: Нелинейный кристалл

[donavi]

Необходимо реализовать данную схему.



Ключевой момент является Нелинейный кристалл.
Где его можно достать ?

[Gall]

Об ЭТОЙ схеме можно сразу забыть.

Во-первых, эта картинка - всего лишь иллюстрация из Википедии к тому, как получаются запутанные фотоны. При буквальном следовании ей сразу после образования фотоны сразу распутаются. Их можно поддержать в запутанном состоянии только с помощью очень особого построения детекторов. Обычно в такой схеме получается простое двупреломление, как в кристалле исландского шпата.

Во-вторых, эта схема бесполезна, если вы не умеете генерировать и регистрировать ОТДЕЛЬНЫЕ фотоны. В этой схеме самое сложное не кристалл, а электроника - схемы регистрации и обсчета - и заложенная в эти схемы математика. Суть эксперимента в том, что если не знать заранее поляризации фотонов, а измерить их одновременно, они всегда окажутся ортогональными. Измерять надо строго одновременно, а фотоны должны быть одиночными.

Сам по себе нелинейный кристалл (тот же KTP, используемый в зеленых указках) - не редкость, но серийный кристалл для этого эксперимента не годится. Кристалл должен быть огранен строго определенным образом (как именно - считается из квантовой механики и теории групп, 3-й курс физфака), а это возможно только при предварительном определении его ориентации (методом Лауэ, например).

То есть рецепт такой: берется заготовка кристалла (покупная или выращивается методом Чохральского), обрезается алмазной пилой, ставится в гониометр, ориентируется на рентгенаппарате по методу Лауэ, ограняется, полируется, проверяется снова по методу Лауэ. Берется лазер, обычно твердотельный импульсный, берутся ФЭУ, делается цепь регистрации (учитывающая в том числе и задержку распространения сигнала в проводах, чтобы обеспечить строгую одновременность). Делается эксперимент.

Термоядерный реактор или сканирующий туннельный микроскоп сделать проще, в общем.

[Gall]

Что получить-то хотите?..

Если что, даже свет обычной лампочки состоит из "запутанных" фотонов, которые, однако, "распутываются" при любой попытке что-то с ними делать. Нелинейный кристалл и лазер нужны только для того, чтобы получить только ОДНУ пару запутанных фотонов (а не миллион таких пар).

Понять, что такое квантовое запутывание, проще всего так. Это НЕ какая-то "мистическая" связь между двумя фотонами. Просто оба фотона вылетают из кристалла в виде одного "комка", который можно разрезать на два фотона по-разному в зависимости от того, кто и как будет резать. Суть эксперимента всего лишь в том, что если один наблюдатель хватает себе одну половинку, то другому наблюдателю всегда достанется оставшаяся половинка. Но чтобы это произошло, наблюдатели должны делать это по команде "раз-два-дерну-лИ!", иначе фотоны могут распутаться сами (как обычно и происходит) или же просто одному более везучему наблюдателю достанутся оба фотона. И ясно, что фотонов должно быть ровно два - не три, не десять, не миллион.

[donavi]

Так что же получается зеленый лазер на выходе имеет поляризацию вертикальную и горизонтальную одновременно?

[Gall]

Так что же получается зеленый лазер на выходе имеет поляризацию вертикальную и горизонтальную одновременно?

Не совсем так. Нелинейный кристалл тут вообще ни при чем.

"Верх" и "низ", "вертикаль" и "горизонталь" - относительные понятия. Если лазер с "вертикальной" поляризацией повернуть на 45 градусов, про него можно будет сказать, что он имеет вертикальную и горизонтальную поляризации одновременно. Действительно, если мы на пути такого луча поставим вертикальный поляризатор, то ровно половина его пройдет и окажется с вертикальной поляризацией. То же самое произойдет и с горизонтальным поляризатором. Получится, что у нашего луча наполовину вертикальная и наполовину горизонтальная поляризация. Хотя поляризация у него как раз одна.

Лазер необязателен. С любым другим поляризованным светом (от лампочки с поляроидом, например) будет то же самое.

Зачем вообще в опыте по квантовому запутыванию нужен нелинейный кристалл? А вот зачем. Чтобы убедиться, что запутывание - не выдумка, мы хотим проделать только что объясненный опыт с делением поляризации с самым маленьким возможным количеством фотонов - с двумя. То есть мы хотим получить поляризованный свет, состоящий не из миллиарда, как обычно бывает, а ровно из 2 (двух) одинаковых фотонов. Более того, мы хотим выстрелить этими фотонами одновременно. Отделить два фотона от луча лазера? Нереально! Как быть? Взять один фотон и поделить пополам. Например, из фотона 532 нм сделать два по 1064 нм. Теперь у нас есть два одинаковых фотона. Мы можем дальше сделать тот самый опыт с поворотом плоскости поляризации под 45 градусов, как описано выше - тогда ровно половина света (т.е. один фотон) окажется вертикальной, а ровно половина (второй фотон) горизонтальной. Нам даже никакие призмы Глана для этого не потребуются - нелинейный кристалл сам прекрасно призму Глана заменит.

В зеленом лазере в нелинейном кристалле все происходит ровно наоборот: из каждой пары одинаковых фотонов 1064 нм получается один фотон 532 нм. Так делают зеленый из инфракрасного.

[Gall]

Простая аналогия из арифметики:
2 = 2 + 0
2 = 1 + 1
Какое из этих утверждений верное? Оба, так?

Точно так же любую линейную поляризацию можно рассматривать как сумму двух других, если мы так хотим. "По диагонали" - то же самое, что "вверх и в сторону одновременно". И наоборот, "вверх" - то же самое, что "по диагонали влево" и "по диагонали вправо" одновременно. Как удобно, так и считаем.

[donavi]

Что получить-то хотите?..

В идеале хотел создать генератор спутанных фотонов.
А еще хотел бы отфильтровать все не спутанные фотоны что бы на выходе получить только спутанные.
И мне не так важно что именно лазер или еще что выступало в роли такого генератора
лишь бы помощнее с миллиардами таких фотонов.

[Gall]

В идеале хотел создать генератор спутанных фотонов.

Вот простейший генератор спутанных фотонов:

А еще хотел бы отфильтровать все не спутанные фотоны что бы на выходе получить только спутанные.

Все фотоны на выходе лазера всегда спутанные.

И мне не так важно что именно лазер или еще что выступало в роли такого генератора
лишь бы помощнее с миллиардами таких фотонов.

Неспутанных фотонов вообще не бывает... изначально. Квантовая запутанность - не свойство фотона, а свойство наблюдателя.


Это вот что значит. Если у нас в комнате светит лампочка, то КАЖДЫЙ фотон лампочки заполняет ВСЮ комнату, причем в каждой точке комнаты присутствуют ВСЕ фотоны лампочки. Каждый фотон - размером с комнату. Так квантовые явления проявляются обычно. Но при этом если мы поймаем фотон в какой-то точке, он окажется размером ровно с нашу ловушку (например, с атом, если он у нас об атом ударился) и исчезнет из остальных мест в комнате. В обычных условиях это совершенно незаметно, потому что фотонов много и все они одинаковые. И мы видим обычную дифракцию, интерференцию и фотоэффект.

Это может показаться голой теорией, но ее можно подтвердить остроумным способом: надо впустить в комнату ровно два фотона строго одновременно, а потом строго одновременно их поймать в двух разных точках. Тогда выяснится, что "фотон, занимающий всю комнату" - не бред, а так оно и есть. Это и есть тот эксперимент с парой запутанных фотонов и нелинейным кристаллом, который вас так заинтересовал.

В обычных условиях мы не знаем точно, сколько фотонов находится в комнате и что это за фотоны, поэтому нам нет дела до того, запутаны они или нет. Поэтому эксперимент по запутанности ставится так сложно, хотя запутанность есть повсюду: нужен специальный лазер и специальный кристалл, чтобы пересчитать и пометить каждый фотон.

[Gall]

Хочу получить миллионы молекул воды.


Хочу получить РОВНО ДВЕ молекулы воды.


Так понятнее?..

С запутанными фотонами дело обстоит точно так же.

Вода состоит из молекул. Наполнить молекулами воды стакан можно элементарно. Но есть только один способ окончательно убедиться, что вода состоит из молекул - отделить несколько молекул и посмотреть на них по одной.

Свет состоит из фотонов, которые обычно запутаны, но легко распутываются. Заполнить комнату запутанными фотонами можно элементарно. Но есть только один способ окончательно убедиться, что фотоны бывают запутаны - надо взять два запутанных фотона и собственноручно их распутать.

Легко поверить, что вода состоит из молекул. Трудно поверить, что фотоны бывают запутаны. (Квантовая механика вообще противоречит обывательским представлениям о природе вещей, поэтому людям очень хочется в нее не верить - гораздо проще поверить в снежного человека, нежели в возможность электрона быть одновременно в двух местах). Поэтому эксперимент по взятию всего одной молекулы воды никого не удивляет. А вот эксперимент, доказывающий, что квантовая запутанность - не выдумка пьяных теоретиков, весьма удивительный и ценный.