Eksperyment, który pozwoli ludziom zobaczyć splątanie kwantowe

Splątanie to dziwne zjawisko, w którym dwie cząstki kwantowe łączą się ze sobą tak głęboko, że dzielą to samo istnienie. Kiedy tak się dzieje, pomiar jednej cząstki natychmiast wpływa na drugą, niezależnie od odległości między nimi.

Splątanie intrygowało fizyków przez większą część stulecia. Początkowo kwestionowano samo jego istnienie. Ale dzisiaj fizycy tworzą w laboratoriach na całym świecie ogromne ilości splątanych cząstek. Rutynowo używają splątania, aby wysyłać doskonale zaszyfrowane wiadomości, badać obliczenia kwantowe i lepiej zrozumieć naturę tego głębokiego zjawiska.

Łatwość, z jaką można splątać cząstki, takie jak fotony, skłoniła niektórych fizyków do zadania ciekawego dodatkowego pytania: czy ludzie kiedykolwiek będą w stanie zobaczyć splątanie?

Dziś otrzymujemy odpowiedź dzięki pracy Valentiny Caprara Vivoli na Uniwersytecie Genewskim w Szwajcarii kilku kumpli. Opracowali eksperyment, który powinien umożliwić ludzkiemu oku bezpośrednie wykrycie splątania. Mówią, że scena jest przygotowana na pierwszy tego rodzaju eksperyment.

Znalezienie sposobu na wykrycie przez ludzkie oko splątanych fotonów wydaje się proste. W końcu oko jest detektorem fotonów, więc powinno być możliwe zastąpienie fotodetektora przez oko w każdym standardowym eksperymencie z wykrywaniem splątania.

Taki eksperyment może składać się ze źródła splątanych par fotonów, z których każdy jest przesyłany do fotodetektora za pomocą odpowiedniego zestawu eksperymentalnego.

Porównując przybycie fotonów do każdego detektora i powtarzając wielokrotnie proces detekcji, można statystycznie określić, czy występuje splątanie.

Łatwo sobie wyobrazić, że ten eksperyment można łatwo powtórzyć, zastępując jeden z fotodetektorów okiem. Ale okazuje się, że tak nie jest.

Główny problem polega na tym, że oko nie może wykryć pojedynczych fotonów. Zamiast tego każdy pręt wykrywający światło z tyłu oka musi być stymulowany przez sporą garść fotonów, aby wyzwolić detekcję. Uważa się, że najmniejsza liczba fotonów, która może załatwić sprawę, wynosi około siedmiu, ale w praktyce ludzie zwykle widzą fotony tylko wtedy, gdy przybywają w setkach lub tysiącach.

Nawet wtedy oko nie jest szczególnie wydajnym fotodetektorem. Dobre laboratorium optyczne będzie miało fotodetektory, których sprawność znacznie przekracza 90%. Natomiast przy najniższych poziomach oświetlenia oko ma około 8 procent sprawności. Oznacza to, że traci dużo fotonów.

To stwarza poważny problem. Jeśli ludzkie oko ma kiedykolwiek zobaczyć splątanie w ten sposób, to fizycy będą musieli splątać nie tylko dwa fotony, ale co najmniej siedem, a najlepiej setki lub tysiące fotonów.

A to po prostu nie jest możliwe przy dzisiejszej technologii. W najlepszym razie fizycy są w stanie splątać pół tuzina fotonów, ale nawet to jest trudne zadanie.

Potrzebny jest sposób na wzmocnienie efektu pojedynczego splątanego fotonu, aby można go było wykryć okiem, ale aby to zrobić bez niszczenia tak ważnego splątania.

Vivoli i spółka twierdzą, że opracowali sztuczkę, która skutecznie wzmacnia pojedynczy splątany foton na wiele fotonów, które może zobaczyć oko. Ich sztuczka opiera się na technice zwanej operacją przemieszczenia, w której dwa obiekty kwantowe interferują tak, że jeden zmienia fazę drugiego.

Jednym ze sposobów na zrobienie tego z fotonami jest zastosowanie rozdzielacza wiązki. Wyobraź sobie wiązkę spójnych fotonów z lasera skierowaną na rozdzielacz wiązki. Wiązka jest przepuszczana przez rozdzielacz, ale zmiana fazy może spowodować jej odbicie.

Teraz wyobraź sobie kolejną wiązkę spójnych fotonów, która zakłóca pierwszą. Zmienia to fazę pierwszej wiązki tak, że jest ona odbijana, a nie transmitowana. Innymi słowy, druga wiązka może włączać i wyłączać odbicie.

Co najważniejsze, wiązka przełączająca nie musi być tak intensywna jak wiązka główna — musi być tylko spójna. Rzeczywiście, pojedynczy foton może wykonać sztuczkę przełączania bardziej intensywnej wiązki, przynajmniej teoretycznie.

To podstawa nowego podejścia. Pomysł polega na użyciu pojedynczego splątanego fotonu, aby przełączyć przejście silniejszej wiązki przez dzielnik wiązki. I to właśnie ta mocniejsza wiązka jest wykrywana przez oko i która nadal zachowuje kwantową naturę pierwotnego splątania.

Taka jest teoria. Vivoli i spółka twierdzą, że technologia jest już dostępna do przeprowadzania tego rodzaju eksperymentów. Twierdzą, że ich praca w przekonujący sposób pokazuje możliwość zrealizowania pierwszego eksperymentu, w którym okiem obserwuje się splątanie.

Niemniej jednak ten eksperyment będzie trudny do wykonania. Na przykład zapewnienie, że wzmacniacz optyczny działa tak, jak twierdzą, będzie trudne.

A nawet jeśli tak się stanie, niezawodne rejestrowanie każdego wykrycia w oku będzie jeszcze trudniejsze. Test na splątanie jest testem statystycznym, który wymaga wielu zliczeń z obu detektorów. Oznacza to, że osoba musiałaby uczestniczyć w eksperymencie, rejestrując odpowiedź „tak” lub „nie” dla każdego przebiegu, powtarzanego tysiące lub dziesiątki tysięcy razy. Wolontariusze będą musieli mieć mnóstwo czasu.

Mimo to możliwe, że pierwsze tego typu eksperymenty już trwają, być może nawet w laboratoriach Vivoli and co. Możemy więc wkrótce ustalić tożsamość pierwszej osoby, która zobaczy splątanie.

Oczywiście takie eksperymenty szybko pozbawią blasku i romansu popularne postrzeganie uwikłania. Rzeczywiście, trudno zrozumieć, dlaczego ktokolwiek miałby chcieć zostać uwikłany w fotodetektor w czasie wykonywania tego eksperymentu.

Jednym ze sposobów na zwiększenie tej motywacji byłoby zmodyfikowanie eksperymentu tak, aby wplątał się w niego dwoje ludzi. Nietrudno wyobrazić sobie ludzi, którzy chcieliby wziąć udział w takim eksperymencie, a może nawet chętnie.

Będzie to wymagało zmodyfikowanej konfiguracji, w której oba detektory są ludzkimi oczami, z wysokim poziomem wyzwalania i niską wydajnością. Nie jest jeszcze jasne, czy będzie to możliwe dzięki konfiguracji Vivoli and co.

Tylko wtedy ochotnicy będą w stanie odpowiedzieć na pytanie, które jest niewygodne dla większości fizyków. Jak to jest być uwikłanym z innym człowiekiem?

Biorąc pod uwagę naturę tego eksperymentu, odpowiedź będzie otępiająco nudna. Ale jak podkreślają Vivoli i wsp. w swoim wniosku: można śmiało powiedzieć, że badanie ludzkiego wzroku światłem kwantowym to terra incognita. To sprawia, że ​​samo w sobie jest atrakcyjnym wyzwaniem.

Całkiem!

Nr ref.: arxiv.org/abs/1602.01907 : Co trzeba zrobić, aby zobaczyć splątanie?

ukryć