Osservazioni del ritardato

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9758 (2023) Citare questo articolo

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La sovrapposizione quantistica è la pietra angolare della meccanica quantistica, dove le frange di interferenza hanno origine nell'auto-interferenza di un singolo fotone attraverso caratteristiche fotoniche indistinguibili. Gli esperimenti di scelta ritardata di Wheeler sono stati ampiamente studiati per la dualità onda-particella negli ultimi decenni per comprendere la teoria della complementarità della meccanica quantistica. Il cuore della cancellazione quantistica a scelta ritardata sta nella caratteristica quantistica mutuamente esclusiva che viola la relazione causa-effetto. Qui, dimostriamo sperimentalmente la cancellazione quantistica utilizzando coppie di fotoni coerenti mediante la scelta ritardata di un polarizzatore posizionato fuori dall'interferometro. Le soluzioni di coerenza della gomma quantistica osservata derivano da un tipico interferometro di Mach-Zehnder, dove la violazione della relazione causa-effetto è dovuta a misurazioni selettive della scelta della base.

Gli esperimenti a scelta ritardata proposti da Wheeler nel 19781 per la teoria della complementarità2 sono stati studiati intensamente negli ultimi decenni3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. Sebbene il concetto originale della teoria della complementarità riguardi la natura esclusiva tra entità non commutabili come posizione e quantità di moto, sono stati sviluppati esperimenti di scelta ritardata per il controllo della misurazione della dualità onda-particella in un sistema interferometrico3. La dualità onda-particella di un singolo fotone mostra una relazione di compromesso tra la visibilità della frangia basata sulla natura dell'onda e l'informazione sulla direzione basata sulla natura delle particelle4. Gli esperimenti di scelta ritardata sono stati ampiamente dimostrati utilizzando luci termiche5, fotoni entangled6,7,8, atomi9,10,11, neutroni3, laser attenuati4,12,13 e singoli fotoni antiraggruppati14,15. Nella scelta ritardata, un post-controllo delle misurazioni determina un fenomeno paradossale di violazione del rapporto causa-effetto16. La gomma quantistica si basa sulla post-scelta delle misurazioni, scegliendo17 o cancellando18 una delle nature. Recentemente, la gomma quantistica è stata sviluppata per invertire una determinata natura tramite misurazioni successive utilizzando fotoni entangled19, fotoni coerenti13,20, luci termiche21 e fotoni antiraggruppati11,22.

Nel presente articolo, la cancellazione quantistica a scelta ritardata è stata dimostrata sperimentalmente utilizzando fotoni coerenti tramite controlli di base di polarizzazione, dove i fotoni coerenti sono ottenuti da un laser a onda continua attenuata (cw). Come alcuni schemi a scelta ritardata13,14,18,19,21, quello attuale è per il post-controllo della natura predeterminata del fotone. Qui, il nostro interferometro di Mach-Zehnder (MZI) composto da un divisore di fascio polarizzante (PBS) e un divisore di fascio (BS) è impostato per la natura delle particelle secondo la legge di Fresnel-Arago23 o operatori quantistici non interagenti24. Pertanto, l'informazione sulla direzione di un singolo fotone all'interno dell'MZI è un fatto predeterminato, che non dà luogo a frange di interferenza nelle porte di uscita dell'MZI. Senza controllare l'MZI stesso, tuttavia, recuperiamo sperimentalmente la natura ondulatoria del fotone controllando la base di polarizzazione del fotone in uscita utilizzando un polarizzatore13,14,19,21. Se le misurazioni successive mostrano una frangia di interferenza, ciò rappresenta la violazione della relazione causa-effetto perché la scelta del polarizzatore soddisfa la separazione spaziale. Per questo, abbiamo misurato le correlazioni di intensità di primo e secondo ordine utilizzando un'unità di conteggio delle coincidenze.

La Figura 1 mostra lo schema del presente cancellatore quantistico a scelta ritardata utilizzando fotoni coerenti generati da un laser cw attenuato (vedere la sezione "Metodi"). Per la Fig. 1, un'unità di conteggio delle coincidenze (CCU, DE2; Altera) viene utilizzata per le correlazioni di intensità sia del primo che del secondo ordine tra due rilevatori D1 e D2 (SPCM-AQRH-15, Excelitas). Per la correlazione del secondo ordine, solo i fotoni a grappolo doppio vengono contati dalla CCU, dove il rapporto di generazione tra fotoni a grappolo doppio e fotoni singoli è ~ 1% al numero medio di fotoni \(\langle n\rangle \sim 0,01\) ( vedere Sez. A dei Materiali Supplementari). Per la correlazione dell'intensità del primo ordine, entrambi i canali di ingresso della CCU da D1 e D2 vengono misurati individualmente per un periodo di 0,1 s per punto dati (vedere Fig. 2). I fotoni raggruppati di ordine superiore sono trascurati dalla statistica di Poisson (vedi Sez. A dei Materiali Supplementari). Per fornire casualità di polarizzazione di un singolo fotone, una piastra a semionda ruotata di \(22,5^\circ\) (HWP) viene posizionata appena prima dell'MZI. Secondo il seguente PBS, il singolo fotone all'interno dell'MZI mostra caratteristiche fotoniche distinguibili con informazioni perfette sulla direzione: \({|\psi \rangle }_{MZI}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left ({|V\rangle }_{UP}+{|H\rangle }_{LP}\right)\). Pertanto, i fotoni misurati all'esterno dell'MZI mostrano la natura particellare predeterminata di un singolo fotone (non mostrato), come nei riferimenti 13,14,19.