Тема: Квантовое запутывание в домашних условиях

[donavi]

Собственно загорелся я попыткой повторить эксперимент по квантовому запутыванию в домашних условиях.
Гуляя на просторах ютуба наткнулся на сие видео, где представлена довольно не сложная схема по квантовому запутыванию.

quantum entanglement experiment

Как я понял вся суть закручена на том что бы измерять поляризацию отдельных фотонов.
Ключевой момент является в этой установки BBO кристалл как я понял вырезан для того что бы конвертировать UV фотоны в красные.
Не пойму почему именно был взять BBO кристалл в чем разница между KTP кристаллом и BBO кристаллом?
И не проще было взять лазер на 1064nm и конвертировать BBO кристаллом или KTP в 532nm.  или тут теряется эффект генерации спутанных фотонов?

BBO second harmonic.avi

[Gall]

Дьявол, как водится, в деталях. Я уже это все однажды очень подробно разъяснял. Эффект ОЧЕНЬ тонкий. Схема действительно очень простая, но заставить ее работать жутко сложно. Без глубокого знания физики (тут даже не в домашних условиях дело) вообще не удастся понять, получились ли запутанные фотоны или нет, не говоря уж о том, чтобы вообще заставить конструкцию хоть как-то работать.

Почему не KTP, а именно BBO. Чисто теоретически разницы нет. Разница практическая. У авторов не было лазера с подходящими характеристиками (читай - с хорошей когерентностью, позволяющей манипулировать отдельными фотонами). Поэтому они решили сделать такой лазер сами. Мощность требуется небольшая, и выбрана была схема параметрического генератора (это такой очень экзотический вид лазеров с лазерной накачкой). В качестве накачки используется дешевый слабенький лазер 405 нм. На таких длинах волн параметрическую генерацию проще всего делать на BBO.

Тонкость (на которой, думаю, вся идея и обломается): BBO должен быть не абы какой, а специально сделанный для этой схемы. Начать, увы, придется с изучения технологии ориентации кристаллов по методу Лауэ...

Вся остальная схема с точки зрения принципа действия - фигня полная, а вот по конструированию - увы, нет. Она вся собрана из дорогущих ($1000 за штучку) деталей, и это не просто так, а потому что очень капризна она к точности. Здесь действительно нужен хороший оптический стол и очень точные подвижки с микрометрическими винтами.

Главный вопрос, а в итоге-то что получится? Ответ: два ФЭУ зарегистрируют импульсы от двух фотонов. ВСЕ. Вот и весь итог эксперимента. Затем предстоят долгие и скучные математические выкладки, из которых, быть может, выяснится, что фотоны, оказывается, запутаны были. А может и не выяснится. Что получить-то хотите?

Как давно известно, запутанные фотоны встречаются в природе на каждом шагу. В луче любого лазера и даже в солнечном свете их до фига. Сложность состоит не в том, чтобы их ПОЛУЧИТЬ (а чего получать-то, и так, считай, на дороге валяются), а в том, чтобы их ЗАМЕТИТЬ. Вот для этого (и только для этого) требуется сложная постановка эксперимента.

И вообще, кончайте заниматься алхимией. Хотите заниматься квантовой физикой - так для начала изучите хоть основы этой физики, уравнение Шредингера решать научитесь, задачку о водородоподобном атоме разберите, уравнения Максвелла заодно... Пытаться делать вещи с красивыми названиями ради названий, не понимая их физической сути, по меньшей мере нерационально.

[Gall]

P.S. Хотите получить много запутанных фотонов? Легко! Возьмите зеленую лазерную указку 532 нм. Включите. Бинго! Вы получили несколько миллионов запутанных фотонов. Правда, они щедро разбавлены обычными. Хотите в этом убедиться? Вот для этого уже потребуется капризная оптическая схема и ФЭУ.

P.P.S. Самая интересная часть в этой схеме - умение регистрировать отдельные фотоны с помощью ФЭУ. Эта штука универсальная и полезная. Вот ее я бы советовал сделать. Надо будет подобрать подходящий ФЭУ, сделать к нему корпус, питание, собрать усилитель. Корпусу надо уделить особое внимание: отдельные фотоны - это не шутка, любой случайный фотон будет регистрироваться, защита от постороннего света должна быть очень серьезной. Если же на такой ФЭУ попадет обычное комнатное освещение и тем более луч лазера, он сразу "ослепнет" и испортится - навсегда.

[donavi]

Фэу это имеется в виду Photomultiplier
http://www.ebay.com/itm/Hamamatsu-Photomultiplier-Unit-E990-/161057840886?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item257fcb9ef6

http://www.ebay.com/itm/Hamamatsu-H957-05-PMT-Photomultiplier-Tube-Lincoln-Laser-Clock-Preamp-Housing-/310729045487?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item4858e4f5ef

Как же я буду с лазерного излучения регистрировать отдельные фотоны если в него светить лазером нельзя.
тогда придется разрабатывать спец оптическую схему   что бы регистрировать поляризацию отдельных фотонов.

[donavi]

Правильно ли я понимаю сам процесс.  Спутанные фотоны двойняшки а то бывает и тройняшки   никогда не будут одинаково поляризованы.
То есть  если я замеряю поляризацию поляроидом у 532nm лазера с кристаллом ктр у которого изначально LD на 808nm и он поляризован линейно 500:1
то проходя через кристаллы результат получается  polarization ratio 300:1. (не совсем уже линейно поляризован)

Если каждый раз спутанные фотоны имеют разницу в поляризации тогда могу ли я скажем используя  зеленый лазер с ктр взять расщепитель луча разделить луч на два луча после поставить поляроиды, один будет сориентирован на Не пропускание  горизонтальной поляризации а другой на Не пропускание  вертикальной поляризации. И попытаться зафиксировать разницу в поляризации фотодиодами. Или обратно тут нужны супер мега APD фотодиоды.

[Gall]

Суть процесса такая. Спутанные фотоны бывают в общем-то любыми и в любом количестве. Просто "одинаковые" фотоны, которые выдает обычный лазер, спутанными называть не принято, хотя они и связаны между собой (это демонстрирует, например, классический эксперимент с двумя щелями). Термин "запутанность" применяют к частицам, имеющим какое-то четкое различие. В случае фотонов простейшее из таких различий - поляризация.

Фотон "не знает" своих характеристик (поляризации, направления движения и т.д.), пока какой-нибудь предмет, какая-то часть установки не заставит его "определиться с выбором". Суть квантового запутывания в том, чтобы получить как минимум два фотона, которые "делают выбор" вместе. Самый простой способ - сделать, чтобы фотоны в паре имели разную поляризацию. Как только один фотон свою поляризацию определит, второй тоже это сделает. Можно было бы выбрать не поляризацию, а какую-то другую квантовую характеристику... какую? Все остальное измерять очень неудобно и трудно, а эксперимент и так сложный.

Это можно сделать не только с фотонами, но и с электронами, протонами и вообще любыми квантовыми частицами. Однако работать с фотонами проще всего - не нужен вакуум, не нужны сложные магнитные поля, не нужны сверхнизкие температуры. В лабораториях удавалось наблюдать запутывание и электронов, и даже ядер атомов, но это в разы труднее и вряд ли имеет практическое применение. Фотон же - простая и "доступная" частица, для работы с которой достаточно обычной качественной оптики.

Существует бесчисленное множество способов получить что-то квантово запутанное, и в природе это происходит сплошь и рядом. Но мы хотим не просто получить, а получить и УБЕДИТЬСЯ В ЭТОМ. Поэтому мы конструируем специальную установку, которая делает запутанных фотонов мало, тем самым дает нам возможность каждую пару "близнецов" изучить индивидуально. Тем самым мы убедимся, что квантовое запутывание - не выдумка теоретиков, а действительно существующее явление.

Как же я буду с лазерного излучения регистрировать отдельные фотоны если в него светить лазером нельзя.
тогда придется разрабатывать спец оптическую схему   что бы регистрировать поляризацию отдельных фотонов.

Видно, что в сути эксперимента вы не разобрались...

Лазер выдает много фотонов. Параметрический кристалл некоторые из них превратит в гарантированно запутанные. Затем все лишние фотоны удаляются и "выбрасываются", остаются только подозреваемые в запутанности. Проверить на запутанность можно только одну отдельно взятую пару фотонов. Поэтому первое наше действие - взять РОВНО ОДНУ пару фотонов и выбросить все остальное. Мы можем повторить это, если потребуется, миллионы раз, но каждый раз мы должны из всех фотонов выбирать ровно одну пару. (Установка устроена так, что все лишние фотоны уходят в сторону, и только пары с подозрением на запутанность идут дальше в оптику; разумеется, это требует высокой точности изготовления и настройки).

Одна пара фотонов - это очень мало. Для изучения мы обязательно разделим эту пару, у нас получатся два отдельных фотона. Мы постараемся сначала разнести их как можно дальше, а потом проверим, продолжают ли они быть запутанными или нет. Для этого нам потребуются очень чувствительные датчики, способные видеть фотоны поодиночке. Нам придется постараться, чтобы никакие посторонние фотоны (в том числе обычные, незапутанные фотоны из лазера и даже запутанные фотоны из других пар) на датчик не попадали! Иначе на их фоне мы ничего не сможем разглядеть. Только один тип датчика способен видеть фотоны поодиночке - это фотоэлектронный умножитель (ФЭУ, Photomultiplier, PMT), все остальные датчики вроде фотодиодов слишком грубы для таких тонких опытов.

Вкратце схема эксперимента:
1) Делаем очень много фотонов, некоторые из них могут быть запутанными.
2) Выбрасываем все, что заведомо не запутано.
3) Из того, что осталось, выбрасываем столько, чтобы запутанные фотоны выходили отдельными парами не слишком часто (настолько редко, чтобы мы успевали посчитать эти фотоны поштучно!). В этом общем потоке фотонов будут и обычные, одиночные фотоны; их тоже не должно быть много, чтобы мы их могли отбраковать (опять же, поштучно).
4) Каждый фотон и каждую пару фотонов мы принимаем на ФЭУ (после всех выбрасываний и отбраковок свет останется очень слабый, как раз такой, как для ФЭУ нужен) и регистрируем сигнал в компьютер.
5) Компьютер вычисляет, были ли фотоны, попавшие на ФЭУ, запутаны, и считает процент запутанных фотонов в нашем потоке.

Практическое использование: никакое. Это чисто исследовательский прибор для фундаментальной науки. Он умеет только отвечать "да" или "нет" на вопрос "бывают ли запутанные фотоны?". Этот прибор ученые уже собрали до нас и получили ответ "да". Но мы можем собрать такой же прибор, чтобы проверить, не обманывают ли нас. Надо только понимать, что ответ "нет" получить на этом приборе гораздо сложнее, чем ответ "да": надо быть уверенным на 200%, что прибор собран абсолютно правильно. В любительских условиях скорее всего получится ответ "а черт его знает", потому что установку придется собирать из некачественных деталей по упрощенной схеме, которая работать и не обязана. Но если повезет, можно получить неуверенное "скорее да". (Доказывать существование явления, как вы уже знаете, гораздо проще, чем доказывать несуществование; физикам повезло - явление оказалось существующим).

Но вообще у квантового запутывания есть практическое применение - криптография. Дело в том, что фотоны остаются запутанными до тех пор, пока между детекторами, на которые они попадают, поддерживается связь. (Именно поэтому нельзя использовать запутывание для передачи информации со сверхсветовой скоростью: приемник должен быть заранее предупрежден о том, какой фотон ему придет). Вот упрощенная идея, как этим воспользоваться для секретной связи. Мы начинаем делать пары запутанных фотонов. Один фотон каждой пары принимаем сами, второй отправляем корреспонденту одновременно с сообщением, какая из поляризаций осталась у нас, но иногда мы говорим правду, а иногда врем. Правда означает бит "1", ложь означает бит "0". Корреспондент получает фотон, сравнивает его поляризацию с нашим сообщением и узнает, сказали мы правду или солгали. Тем самым - раскодирует последовательность "0" и "1". Если же в канал попытается вмешаться злоумышленник, он неминуемо нарушит запутанность фотонов, и их поляризация станет какой попало. Тем самым злоумышленник во-первых получит ерунду, а во-вторых будет сразу обнаружен, ведь корреспондент тоже получит ерунду.

Эти схемы существуют на практике и интересны, но конструктивно довольно сложны. В домашних условиях сделать туннельный микроскоп или маленький термоядерный реактор значительно проще, чем квантовую криптографию. (Хотите - объясню, как именно; туннельный микроскоп вообще просто).

[Gall]

Идея получения фотонов в параметрическом кристалле: в кристалле одновременно идет смешивание частот (вычитание или сложение, частный случай - сложение с той же частотой, то есть удвоение) и двупреломление. Физически эти эффекты связаны (см. Звелто, там подробный расчет с формулами). Каждая пара фотонов, рождающаяся в процессе преобразования частот, в силу одновременности своего происхождения будет запутанной, если только мы не нарушим эту запутанность позднее. От нас требуется (а) аккуратно работать с каждой парой в отдельности и не разрушить нечаянно запутанность, и (б) отделить запутанные фотоны от "мусора" - света исходного лазера, случайных фотонов и прочего.

Рождение более чем двух частиц в одном акте взаимодействия хотя и бывает, но исключительно маловероятно и не во всяком процессе возможно. Поэтому мы говорим о парах фотонов, а не о тройках или четверках. Чаще всего фотоны вообще рождаются поодиночке. Только в лазерах и параметрических генераторах количество парных фотонов становится заметным. И только параметрический кристалл позволяет сделать фотоны в одной паре различимыми - с разной поляризацией. В обычном лазере фотоны в парах поляризованы одинаково, а если поляризация разная - это фотоны не из пары, поэтому в луче обычного лазера найти запутанные фотоны невозможно (хоть они там и есть).

[donavi]

Благодарю за столь обширный ответ.
Меня вот теперь интерферирует этот пункт

2) Выбрасываем все, что заведомо не запутано.

Как это сделать. я хочу отделить не запутанные фотоны и на выходе иметь много запутанных пар фотонов.  Прям как сито которое пропускает только запутанные и побольше прям уж миллионы.  но при этом что бы сито срабатывало на все 100%

[Gall]

Это противоречит самой идее квантового запутывания.

Частицы не могут быть запутаны сами по себе. Они запутаны только тогда, когда мы их ждем с прибором, обнаруживающим это запутывание. Это одна из разновидностей "кота Шредингера", или, если хотите, эксперимента с двумя щелями:

Загадка квантовой физики - эксперимент с двумя щелями

Чтобы частицы стали запутанными, необходимо и достаточно:
1. Поставить две разных частицы в равные условия, и заставить случайным образом разойтись по двум разным путям.
2. В конце пути одновременно! зарегистрировать обе частицы и сверить результат. (Для этого необходим канал связи, поэтому квантовое запутывание нельзя использовать для передачи информации со сверхсветовой скоростью; передача информации не будет быстрее, чем этот обычный канал связи).

Если мы не регистрируем частицы в конце пути, они не будут запутанными.
Если мы делаем так много частиц, что наши детекторы не могут зарегистрировать каждую из них в отдельности, по одной - они не будут запутанными. (Быстрый детектор, быть может, 10 миллионов частиц в секунду и сможет зарегистрировать, но это уже непросто).
Если мы попытаемся облучать что-то "запутанными" частицами, чтобы они на это "подействовали" - частицы не будут запутанными. Ведь при воздействии на вещество частица должна поглотиться, значит, она уже не попадет на детектор, а без детектора она не сможет быть запутанной.

[Gall]

Спрашивается, для чего можно использовать запутанные частицы? В общем-то ни для чего. Можно только любоваться фактом запутанности.

Зато можно использовать запутанность, а именно "хрупкость" этого явления, для шифрования информации. Мы знаем, что любое вмешательство разрушает запутанность. Это как раз то свойство, которое нужно для передачи секретных данных. Передавая секретные данные запутанными фотонами, мы гарантируем, что любая попытка перехвата этих фотонов нарушит запутанность, тем самым оборвет связь, а злоумышленник вместо запутанных фотонов получит обычные, информации не несущие. На практике, однако, эта схема пока не реализована в силу чисто технических причин (сложно).

Думаю, многие вопросы отпали сами собой

[Gall]

Пока укладывал спать ребенка, придумал простое популярное объяснение явления запутанности. Оно не очень строгое, но основную суть отражает. Запутывать для простоты будем электроны - с фотонами дело обстоит точно так же.

Мы уже знаем эксперимент с двумя щелями (см. выше). Мы знаем, что если наблюдать за электроном, он не будет проявлять квантовых свойств. Попробуем перехитрить электрон. Вместо одного электрона возьмем два одинаковых и будем смотреть, через какую щель они пролетели. Если повезет, они пролетят через разные щели. Несмотря на то, что мы следили за электронами, они проявят волновые свойства - ведь ничто не мешает электронам провзаимодействовать потом, уже после щелей, пока мы не следим. Если не повезет, оба электрона пройдут через одну и ту же щель, тогда, конечно же, никаких волновых свойств не будет. Тогда просто попробуем снова, рано или поздно нам повезет.

Пока это просто два взаимодействующих электрона. Но мы пойдем дальше. Сделаем эти электроны немного разными, например, с разными спинами (то же самое, что фотоны с разными поляризациями). Но наблюдателей на щелях настроим так, чтобы они ни в коем случае не следили за спинами. Когда через каждую щель пройдет по одному электрону, мы не будем знать, который из них какой.

Вот здесь и начинаются чудеса. Оказывается, эта ситуация ничем не отличается от ситуации, когда электрон один, а наблюдателя нет. Действительно, через каждую щель прошло по 1 электрону, но мы не знаем, какой из электронов это был. А может и не один электрон вовсе, а две половинки двух разных электронов - а вдруг? Мы никогда не видели половинку электрона, но ухитряется же один электрон как-то побывать сразу в обеих щелях, пока мы не смотрим?  Получается, что мы вроде бы и электроны видели, и знаем, что спины у них разные, но при этом вроде бы и не наблюдали толком. Два электрона полетят так, как полагается при дифракции. И самое забавное - они сами "не разберутся" при этом, кто из них кто, пока не попадут в экран.

Сделаем специальный экран, который различает спины. Для простоты договоримся, что спин "вверх" создает на экране красную точку, а спин "вниз" - синюю. Неудивительно, что один электрон создаст синюю точку, а другой - красную. Стоп! Разве электроны после щелей не перемешались, когда интерферировали друг с другом? Получается, что временно перемешались, но смогли разделиться снова. Это явление и носит название "квантовой запутанности".

Перемешивание частиц встречается на каждом шагу. Словом "запутанность" мы называем один частный случай: когда заведомо разные частицы были когда-то заведомо разделены, потом перемешались в одну "двойную частицу", и потом снова разделились, сохранив свои свойства. Эта ситуация очень "хрупкая", поэтому для ее наблюдения нужна специальная постановка эксперимента.

[donavi]

Если мы попытаемся облучать что-то "запутанными" частицами, чтобы они на это "подействовали" - частицы не будут запутанными. Ведь при воздействии на вещество частица должна поглотиться, значит, она уже не попадет на детектор, а без детектора она не сможет быть запутанной.

По поводу этого у меня была такая вот мысля. частицы проходя через некое вещество возможно часть их и поглотится но остальная часть пройдет.
Это же как с раман  часть фотонов отражается от вещества. Так вот мысля была такой а что если мы будем генерировать спутанные фотоны и пропускать их через вещество или так чтобы они отражались от вещества и потом улавливать их при помощи Photomultiplier. Возможно спиновые состояния фотонов будут меняться при попадании их на вещество или отражении.

[Gall]

Если мы попытаемся облучать что-то "запутанными" частицами, чтобы они на это "подействовали" - частицы не будут запутанными. Ведь при воздействии на вещество частица должна поглотиться, значит, она уже не попадет на детектор, а без детектора она не сможет быть запутанной.

По поводу этого у меня была такая вот мысля. частицы проходя через некое вещество возможно часть их и поглотится но остальная часть пройдет.
Это же как с раман  часть фотонов отражается от вещества. Так вот мысля была такой а что если мы будем генерировать спутанные фотоны и пропускать их через вещество или так чтобы они отражались от вещества и потом улавливать их при помощи Photomultiplier. Возможно спиновые состояния фотонов будут меняться при попадании их на вещество или отражении.

Фокус не пройдет. НИ ОДИН из поглощенных фотонов не будет запутанным. НИ ОДИН из прошедших запутанных фотонов не провзаимодействует с веществом. ВСЕ отражения запутанных фотонов будут упругими, т.е. не оставляющими следа.

В этом опять же суть "квантовой запутанности". Нельзя видеть одну и ту же запутанность двумя разными способами. Если фотон долетел до ФЭУ в запутанном виде, значит, он не оставил в веществе никаких следов своей запутанности. Если же он "наследил" в веществе, то у нас нет способа обнаружить это "немедленно" (если только вещество - не катод ФЭУ), а при этом, как мы уже знаем, запутанности опять же не бывает.

Коротко: запутанный фотон при взаимодействии с веществом делает то же самое, что и фотон обычный.

Откуда уверенность? Да из самого факта существования квантовой запутанности. Запутанность - это верхушка айсберга. То, что мы ее видим, подтверждает, что наше представление о квантовых процессах - верное. А это значит, что мы можем многие сложные эксперименты заменить на простые математические выкладки и сразу понять, что получится. Я не пишу здесь формул, потому что это (а) неудобно на движке форума и (б) не прочитав 8-й том Ландау, их все равно не поймешь, но я могу все свои слова записать и языком математики тоже.

Очень может быть, что вы придумаете какой-то новый случай наблюдения запутанности, который никому пока неизвестен. Но не "на пальцах". В 19-м веке, пока "белых пятен" в физике было много, можно было пойти наугад и найти нечто неизведанное. Сейчас пути "наугад" и "в рамках школьной физики" приводят всегда в уже известные и скучные места, где нет ничего нового. Чтобы новое найти, надо искать неизведанные пути в ФОРМУЛАХ физики: новые явления могут быть только там, где пока не удается написать уравнение. В данном случае начинать надо с КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ - записать пропагатор для запутанных фотонов и посмотреть, в каких случаях при взаимодействии с веществом получается уравнение, отличающееся от уравнения для пропагатора обычного фотона. Там и искать.

[Andrej77]

Противоречие какое-то получается. Если в луче света лазера полно запутанных фотонов, то разделив луч на 2 и изменяя один из них можно действовать на другой. Например уничтожив все фотоны первого луча, второй должен изменить интенсивность. Хотя такого не происходит

[Gall]

Противоречие какое-то получается. Если в луче света лазера полно запутанных фотонов, то разделив луч на 2 и изменяя один из них можно действовать на другой. Например уничтожив все фотоны первого луча, второй должен изменить интенсивность. Хотя такого не происходит

Неправда, происходит и называется "интерференция". Как раз это можно наблюдать. Но запутанность трудно сохранить. При "наивном" делении луча пополам все почти наверняка распутается. Вообще запутанность - это предельный случай когерентности.