Тема: Квантовое запутывание в домашних условиях

[Andrej77]

Тогда странно почему оно "распутывается" ?

[Gall]

Тогда странно почему оно "распутывается" ?

Потому что это одно из главных свойств квантовой запутанности и квантовой механики вообще.

Запутанность - это ситуация, когда мы имеем две частицы, знаем, что их две, но в силу квантовомеханических законов не можем точно сказать, которая из них какая. Как только мы любым способом это установим, так запутанность автоматически и пропадет. Отсюда и сложность в ее поддержании: надо растащить две частицы на расстояние друг от друга, но так, чтобы по ходу дела случайно не выяснить, которая какая. Тогда мы сможем наблюдать великолепное явление, когда определение свойств одной частицы мгновенно заставляет вторую частицу тоже раскрыть свои свойства, хотя они и не рядом. Это и есть явление запутанности.

Иными словами, сами по себе запутанные частицы ничем не примечательны. Интересен только момент их распутывания. Распутать можно только один раз. Поскольлку распутать частицы очень легко, сложность в том и состоит, чтобы не сделать этого нечаянно раньше времени.

[Andrej77]

В лазере есть линзы и зеркала бывают. Разве проходя через их они не распутываются?

[Andrej77]

А как вообще можно получить одиночный фотон? Хочу провести опыт с двумя щелями, который давным давно уже провели. Значит оборудование не такое и сложное?

[Gall]

В лазере есть линзы и зеркала бывают. Разве проходя через их они не распутываются?

Нет. Оптические элементы сами по себе вообще на запутывание не влияют. В установке для исследования запутанности линз и зеркал еще больше. До тех пор, пока элемент оптики пропускает все фотоны одинаково, он ничего не распутает. По той же причине, по которой обычно не происходит распутывания, когда фотоны просто куда-то идут через пустоту. Тут важна аккуратность проектирования установки, чтобы какая-то деталь не сработала как анализатор раньше времени.

Фотоны в лазере, рождающиеся в результате вынужденного излучения, изначально рождаются как клоны друг друга. В нелинейных кристаллах тоже можно получать фотоны-клоны. Это может быть уже запутанность, но не всегда та, которая нужна. Более сложными приемами можно запутать два фотона разных поляризаций.

А как вообще можно получить одиночный фотон? Хочу провести опыт с двумя щелями, который давным давно уже провели. Значит оборудование не такое и сложное?

Насчет "не такого и сложного оборудования": да, не такое и сложное; нет, сделать трудно. Почему? Потому что "несложное" оборудование лабораторий конца XIX-го века предполагало наличие стеклодувных горелок, вакуумных насосов (в то время еще ртутных), бутылок с реактивами (в том числе с запрещенными сейчас), запаса стекла разных сортов, проволоки из разных металлов (никель, вольфрам), кварцевых трубок, ну и прочего довольно низкотехнологичного, но от того не менее дорогого и все равно труднодоступного барахла. О технологии можно почитать у Стронга "Практика современной физической лаборатории", "Техника физического эксперимента" (книги 40-х годов). С современной электроникой стало легче - например, пикоампертные токи делать и измерять теперь можно с помощью современных микросхем, но остальное упростилось не очень. Вакуумные детали, например, делаются серийно, но новые стоят очень дорого. Слишком дорого для любительских опытов.

Для получения одиночных фотонов достаточно просто ослабить свет почти до нуля. Свет состоит из фотонов, которые неделимы, поэтому ослабление света - это просто уменьшение количества фотонов в секунду. Если ослабить очень-очень сильно, то фотоны будут одиночными. Тут главное - исключить всякое постороннее излучение, которого может быть слишком много. Например, просто черная коробка вполне может немножко фотонов пропускать, и весь эксперимент будет насмарку.

Эксперимент с двумя щелями ставят обычно не на фотонах (и так ясно, что они волна), а на электронах, протонах или чем-то еще тяжелом. Этот эксперимент ставится "просто" - просто для лаборатории, в которой есть вакуумные насосы и высоковольтные трансформаторы. Электроны дифгагируют, и в этом можно убедиться, создав пучок электронов (как в кинескопе - это научились делать в конце XIX века). Можно наблюдать дифракцию электронов (а на ядерном реакторе - еще и нейтронов) на атомах в любом кристаллическом веществе. На тех же атомах прекрасно дифрагирует и рентгеновское излучение. При наличии оборудования - нетрудно.

Дифракцию света на двух щелях без одиночных фотонов наблюдать очень легко. Работает даже при прорезании щелей просто бритвой в пищевой фольге. Несколько сложнее убедиться в том, что свет состоит из одиночных фотонов. Для этого надо взять ФЭУ, подключить и постепенно ослаблять свет. По мере ослабления сигнал с ФЭУ будет принимать характер одиночных импульсов, и станет ясно, что свет состоит из отдельных частиц: по мере ослабления света импульсы будут становиться все реже, но не будут становиться слабее. Хороший ФЭУ с правильным источником питания способен регистрировать отдельные фотоны поодиночке. В исследовании рентгеновского излучения, радиации и т.д. принято считать частицы поодиночке, и один из способов регистрации - сцинтилляционный; это когда берут кристалл, испускающий по одному фотону (или ровно по два фотона) на каждую пролетевшую через него частицу радиации, и с помощью ФЭУ эти фотоны подсчитывают. В современной технике вместо ФЭУ иногда используют специальные лавинные фотодиоды, но тоже может быть дорого и сложно для любителя.

В целом: любитель повторить эксперимент может, но при условии, что имеет время, место и деньги для организации хобби-лаборатории. Надо освоить работу хотя бы с проявкой фотоматериалов, желательно с высоким напряжением тоже, а если уж совсем серьезные вещи делать, тогда и вакуум потребуется. В институтах такие вещи просто покупают, но любитель вряд ли готов покупать оборудование ценой в спортивный автомобиль, поэтому придется покупать старое-убитое и ремонтировать, что само по себе непростая задачка.

[Andrej77]

Для получения одиночных фотонов...

А если уменьшить яркость до одиночных фотонов и  регистрировать интерференционный узор фотопленкой для фотоаппарата с высокой чувствительностью как думаете пойдет? Регистрация займет наверно много времени. Если пойдет тогда еще одна проблема нужен детектор возле одной их щелей.

[Gall]

А если уменьшить яркость до одиночных фотонов и  регистрировать интерференционный узор фотопленкой для фотоаппарата с высокой чувствительностью как думаете пойдет? Регистрация займет наверно много времени. Если пойдет тогда еще одна проблема нужен детектор возле одной их щелей.

Почти пойдет. Надо брать черно-белую пленку и отрабатывать технологию проявления (обычный проявитель "из бутылки" вряд ли подойдет, надо шаманить с рецептами проявки, рекомендованными для ядерной физики и т.д., там проявитель отличается). Слишком чувствительную пленку брать не стоит, она ложные срабатывания дает.

Детектировать проходжение фотона через щель, не уничтожив этот фотон, строго говоря, нельзя. Фотон не имеет заряда.

[Andrej77]

А если уменьшить яркость до одиночных фотонов и  регистрировать интерференционный узор фотопленкой для фотоаппарата с высокой чувствительностью как думаете пойдет? Регистрация займет наверно много времени. Если пойдет тогда еще одна проблема нужен детектор возле одной их щелей.

Почти пойдет. Надо брать черно-белую пленку и отрабатывать технологию проявления (обычный проявитель "из бутылки" вряд ли подойдет, надо шаманить с рецептами проявки, рекомендованными для ядерной физики и т.д., там проявитель отличается). Слишком чувствительную пленку брать не стоит, она ложные срабатывания дает.

Детектировать проходжение фотона через щель, не уничтожив этот фотон, строго говоря, нельзя. Фотон не имеет заряда.

Я сегодня повторил опыт с лазерной указкой и фольгой. У меня даже через одну прорезанную щель появляется интерференционный  узор. Как такое может быть? А если светить фонариком в одну щель получается 3 вертикальные полосы. Просто свет падает под разными углами наверно. С обычным фонариком вместо лазера должен быть этот узор?

[Gall]

Для появления интерференционных полос действительно достаточно одной щели или одной нити, но при условии, что она достаточно толстая. Интерференция происходит между лучами, идущими от двух разных краев одной и той же щели.

Кстати, таким образом можно измерять диаметр маленьких отверстий или толщину тонкой проволоки, волос и т.д. Измерить расстояние между максимумами дифракционной картины и посчитать.

С обычным фонариком дифракционная картина слабая и трудно наблюдаемая. С нелазерным светом надо предварительно сымитировать точечный источник: задиафрагмировать маленьким отверстием и поставить достаточно далеко. В белом свете дифракцию наблюдать трудно, поэтому обычно цвет как минимум окрашивают светофильтром, а по возможности вообще выделяют монохроматором одну длину волны. Поскольку свет при всех этих манипуляциях теряется, источник нужен очень яркий. До появления лазеров использовали либо Солнце и зеркало-гелиостат, либо ртутную дуговую лампу. Подробнее см.: Р. В. Вуд, "Физическая оптика". Эта книга отдельно интересна тем, что написана ДО теории относительности и квантовой механики, еще в то время, когда предполагалось существование эфира. Но главное то, что в ней практических рецептов больше, чем теории.

Практический рецепт для получения маленьких отверстий или щелей: берется обычное зеркало, а щель прорезается бритвой в зеркальном слое (на обратной стороне). Желательно под микроскопом. Тоже из Вуда.

P.S. Книга Вуда на русском языке весьма редкая, а вот на английском она лежит открыто, так как срок авторских прав давно истек: https://archive.org/details/physicaloptic00wood
Да, книге и правда больше ста лет уже.

[Andrej77]

Для появления интерференционных полос действительно достаточно одной щели или одной нити, но при условии, что она достаточно толстая. Интерференция происходит между лучами, идущими от двух разных краев одной и той же щели.

Почему от лазерной указки свет проходя через щель становится горизонтальной линией, если щель вертикально расположена, на экране? От фонарика такого нет.

[Gall]

Это та же самая дифракция. От фонарика эффект получить можно, если отодвинуть фонарик очень далеко от щели (на практике свет при этом ослабнет настолько, что надо будет фотографировать на пленку, глазом не увидеть). Картина полос, как в теории, не получается из-за накладывающихся отражений от краев щели и от неровности этих краев, много картин замазывают друг друга.

Хорошую щель можно получить из двух лезвий бритвы. Но очень желательно механизм точных перемещений для регулировки щели. В идеале - микрометрический винт. (Вообще в оптике очень трудно ставить опыты, не имея хорошей мастерской металлообработки, желательно со станками, в идеале еще с литьем в песок: механизмы точных перемещений и жесткие металлические рамы нужны часто. Либо придется покупать много готовых деталей, что бывает дорого.)

[Andrej77]

Скажите а не снизится ли чувствительность черно-белой фотопленки если я буду использовать красный лазер? Или лучше подавать на пленку весь спектр? Например использовать белый светодиод? И можно ли уменьшая напряжение на светодиоде уменьшить его яркость до одиночных фотонов? А какая вообще оптимальная ширина щелей и расстояние между ними? Может уже есть готовая схема для сборки не подскажите?

[Gall]

Скажите а не снизится ли чувствительность черно-белой фотопленки если я буду использовать красный лазер? Или лучше подавать на пленку весь спектр?

Снизится (хотя смотря какая пленка, панхроматические красный нормально чувствуют). Но для опыта необходимо монохроматическое излучение, весь спектр подавать нельзя. Проще всего взять зеленый лазер, самая дешевая указка на 5 мВт пойдет.

Причина: у фотоматериалов, как и у фотоэффекта, есть красная граница. К слишком большим длинам волн все это нечувствительно. Несенсибилизированная самодельная эмульсия из желатина + AgBr чувствительна вообще только к синему. Панхроматы работают и с красным, но максимум чувствительности у них - на зеленом. Все это относится и к ФЭУ; лучшие ФЭУ, способные регистрировать одиночные фотоны, чувствительны только к сине-зеленой области.

Например использовать белый светодиод? И можно ли уменьшая напряжение на светодиоде уменьшить его яркость до одиночных фотонов? А какая вообще оптимальная ширина щелей и расстояние между ними? Может уже есть готовая схема для сборки не подскажите?

Любой источник можно ослабить до одиночных фотонов. Но для предсказуемости результата надо брать не белый, а монохроматический свет. Зеленый лазер, или ртутную дуговую лампу с монохроматором, выделяющим зеленую линию ртути.

Расстояние между щелями для лазера может быть до 10 см и при желании даже больше, для нелазерного источника следует делать доли миллиметра (иначе длины когерентности не хватит). Ширина самих щелей - микрометры. Но вообще просто возьмите классические формулы дифракции на одной щели и на двух щелях, а также формулу брэгговской дифракции на решетке: они покажут, чего ждать. В таких опытах надо сравнивать расчет с ожиданием. Как считать, лучше всех объясняет Вуд.

Собственно, вот задачка с решением:
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D1%84%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F_%D0%BD%D0%B0_N-%D1%89%D0%B5%D0%BB%D1%8F%D1%85

С фотонами удастся увидеть отличие картины для одной щели от картины для двух щелей, которое не будет исчезать даже при ослаблении света до одиночных фотонов. Это будет значить, что фотон ухитряется пройти через обе щели сразу. Но не удастся поставить детектор на одну из щелей. Можно будет только закрыть щель. Опыт с детектором на щели ставится только на заряженных частицах (электронах), для чего требуется как минимум высокий вакуум. А вообще прибор, основанный на этом явлении, выпускается серийно и называется "электронный микроскоп". Вот результат прохождения пучка электронов через кристалл:
http://femto.com.ua/articles/part_1/p1/1119935-31.jpg
Как видно, электроны дифрагируют. Форма картины в виде пятен получается при дифракции на трехмерной структуре.

[Andrej77]

Спасибо за ответы. Я решил не заморачиваться с пленкой, а взять фотоаппарат типа canon 1200 d , подавать свет прямо в объектив и регистрировать фотоны на большой, ручной выдержке.Тем более iso можно настраивать. Там и красный лазер наверно пойдет.

[Gall]

Матрица нашумит. Единичные фотоны на таких фотоаппаратах тонут в шуме матрицы и просто не видны. Собственно, потому и берут пленку, что у нее нет такого шума даже при экспозиции длительностью во много суток. Полупроводниковые детекторы обычно приходится охлаждать жидким азотом.

Более точная цифра: для белого солнечного света расстояние между щелями должно быть 0.05 мм. С красными лазерами получались голограммы больше 10 см, т.е. со щелями тоже точно получится.