Interferencia cuántica de interferencia
El experimento de la doble rendija de emitir un electrón a la vez produce resultados similares utilizando fotones. Este gráfico muestra la distribución de los electrones que llegan a la pantalla a lo largo del tiempo.
Entre 1905 y 1917, Einstein propuso en su artículo que la energía de las ondas electromagnéticas se compone de energía discontinua a través de la hipótesis de cuantificación de la energía de Max Planck y la explicación del efecto fotoeléctrico, como opiniones tentativas sobre el. generación y transformación de la luz, el desarrollo de nuestras ideas sobre la naturaleza y composición de la radiación y la teoría cuántica de la radiación. Desde que Robert Millikan completó una serie de experimentos sobre el efecto fotoeléctrico en 1916, Arthur Compton observó la dispersión de rayos X por electrones libres en 1923 y midió el impulso de los fotones en 1926, la comunidad física ha ido aceptando gradualmente el hecho de que las ondas electromagnéticas También son partículas. Pero si entendemos el fenómeno de interferencia desde la perspectiva de los fotones, encontraremos que existen los siguientes problemas: cuando dos fotones correspondientes en dos haces coherentes interfieren entre sí, en el caso de interferencia constructiva, es necesario generar cuatro fotones a partir de estos dos fotones, en el caso de interferencia destructiva estos dos fotones necesitan anularse entre sí, lo que viola la ley de conservación de la energía.
En respuesta a este problema, la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica cree que la interferencia de fotones es la superposición de las amplitudes de probabilidad de la función de onda de un solo fotón. La función de onda es una onda de probabilidad, y el módulo. cuadrado de su amplitud compleja (amplitud de probabilidad) Proporcional a la probabilidad del estado correspondiente (estado propio). Tomando como ejemplo la interferencia de doble rendija, para cada fotón, su estado es la superposición de los estados cuánticos que pasan por cada una de las dos rendijas:
Entre ellos, el estado cuántico pasa por la rendija 1 y la rendija 2 Las amplitudes de probabilidad correspondientes, así como las probabilidades correspondientes de los fotones que emergen de la rendija 1 y la rendija 2, son en sí mismas un número complejo.
La probabilidad de que el fotodetector detecte este fotón, estadísticamente hablando, es la intensidad de la luz detectada por el fotodetector, que es el módulo al cuadrado de la superposición de las amplitudes de probabilidad:
Esta expresión es muy similar a la superposición vectorial de ondas electromagnéticas clásicas; de hecho, si el estado cuántico anterior se reemplaza por una forma de onda electromagnética específica, es decir, utilizando el campo electromagnético para representar la función de onda de los fotones, también se puede obtener la forma. de la misma manera que el clásico interfiere con la misma conclusión. Pero esta equivalencia es fundamentalmente errónea, porque en la interpretación de Copenhague el campo electromagnético es una medida observable, mientras que la función de onda es una medida no observable, el experimento de la doble rendija desde la perspectiva de un fotón es una onda de probabilidad de interferencia de un solo fotón; La probabilidad es también la probabilidad de que un solo fotón aparezca en un estado cuántico específico, no el número de fotones en un estado cuántico específico. Al respecto, Paul Dirac explicó en "Principios de la Mecánica Cuántica":
"Poco antes del descubrimiento de la mecánica cuántica, se entendía que la conexión entre las ondas de luz y los fotones debía ser de naturaleza estadística. Pero, no entienden claramente que la función de onda nos dice la probabilidad de que un fotón esté en un lugar específico, no el número de fotones que pueden estar en ese lugar. La importancia de esta diferencia se puede ver claramente a continuación. Los fotones se dividen en dos partes de igual intensidad. Partiendo del supuesto de que la intensidad del haz está relacionada con el número de fotones posibles, obtenemos que el número total de fotones generalmente entra en cada componente. interferir entre sí, debemos pedir un componente. Un fotón en otro componente puede interferir con un fotón en otro componente, y en algunos casos los dos fotones se anulan entre sí, mientras que en otros casos crean cuatro fotones, contradiciendo así el Conservación de la energía. La nueva teoría, que relaciona la función de onda con la probabilidad de un fotón, supera esta dificultad porque la teoría dice que cada fotón entra parcialmente en cada uno de los dos componentes, de modo que cada fotón sólo interfiere consigo mismo entre dos fotones diferentes. . No habrá interferencia." - Paul Dirac, Principios de la Mecánica Cuántica, Cuarta Edición, Capítulo 1, Sección 3.
Aunque es teóricamente posible que una fuente de luz coherente emita solo un fotón a la vez en interferencia de doble rendija, pero según la interpretación estadística de la función de onda, después de un largo período de acumulación, el clásico se obtendrán franjas de interferencia en la pantalla. Sin embargo, con la tecnología actual, todavía es muy difícil obtener un estado de fotón único; incluso si se utiliza un láser monomodo como fuente de luz coherente, seguirán entrando múltiples fotones en el fotodetector; muy cerca entre sí, que es el cuanto del fotón que actúa como efecto del bosón. Un método más factible en la operación práctica es generar pares de fotones, que pueden usarse como una aproximación para generar estados de fotón único.
En este momento, la frecuencia y la dirección de propagación del segundo fotón en el par de fotones están relacionadas con el primer fotón y pueden considerarse como un estado de Foucault de fotón único. Una forma común de generar pares de fotones es mediante cascadas atómicas. En el experimento, los átomos de calcio se excitan al estado 6S0 y regresan al estado fundamental mediante un proceso de radiación de segundo orden, emitiendo pares de fotones con longitudes de onda de 551,3 nm y 422,7 nm respectivamente. Otro método común es utilizar la conversión descendente paramétrica en óptica no lineal, utilizando un solo fotón ultravioleta en el cristal como luz de bombeo para generar un fotón de señal y un fotón inactivo a través de efectos no lineales. La longitud de onda de estos dos fotones es aproximadamente el doble de la longitud de onda del fotón de la bomba y la dirección de polarización es perpendicular al fotón de la bomba. Al utilizar cristales birrefringentes, se puede lograr la coincidencia de fases de la luz de la bomba y la luz de conversión descendente, maximizando así la intensidad de la luz de salida. Ambos fotones de conversión descendente transportan información de fase de la luz de la bomba, por lo que están entrelazados. Cualquier medición del fotón de señal afecta el estado cuántico del fotón inactivo y viceversa.