Jak wygląda funkcja falowa pojedynczego fotonu?

18 czerwca 2011

Zgodnie z interpretacją mechaniki kwantowej, funkcja falowa zawiera maksymalną wiedzę dostępną na temat stanu danego układu. Kwadrat funkcji falowej określa z kolei prawdopodobieństwo z jakim możemy otrzymać różne wyniki podczas wykonywania pomiarów zmiennych dynamicznych układu takich jak pęd, czy położenie.

Tomografia kwantowa

Pomiar funkcji falowej nie należy jednak do łatwych zadań. Zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga, pomiar stanu układu kwantowego bez zaburzania jego funkcji falowej wydaje się praktycznie niemożliwy. Wydaje się, ponieważ grupa badawcza Jeffa Lundeena z National Research Council w Kanadzie, dokonała pierwszych na świecie pomiarów funkcji falowych identycznych pojedynczych fotonów. Przeprowadzanie pomiaru tylko na jednym elemencie danego układu – np. pojedynczym fotonie – daje nam informację na temat pewnej części jego funkcji falowej. Dlatego też, aby uzyskać wystarczające dane na temat funkcji falowej całego układu, pomiar musi być wielokrotnie powtarzany na zespole identycznych fotonów. Taka pośrednia forma pomiaru jest określana mianem „tomografii kwantowej”.

Lundeen porównuje tomografię kwantową do odwzorowywania kształtu fali na powierzchni wody (funkcja falowa) poprzez wykonywanie serii zdjęć jej cienia pod lustrem wody. Połączenie informacji z wielu takich zdjęć, pozwala określić kształt badanej fali. Jednak w przypadku tomografii kwantowej każdy pomiar jest tak „silny”, że niszczy falę i proces musi być powtarzany. Dodatkowo, poza destrukcyjną naturą, kształt niektórych funkcji falowych np. orbitali atomowych czy molekularnych nie może zostać wyznaczony za pomocą wspomnianej metody. Dlatego też, aby nie skupiać się na cieniu danej fali, naukowcy opracowali bezpośrednią metodę sondowania zarówno rzeczywistej, jak i urojonej części funkcji falowej dla zespołu identycznych fotonów. Metoda badawcza opierała się na koncepcji „słabego pomiaru”, która została ostatnio wykorzystana do pomiaru wybranych układów kwantowych – i co najważniejsze nie wpływa ona destrukcyjnie na funkcję falową badanego układu.

„Nasze rozumienie funkcji falowej jest raczej abstrakcyjne, dlatego też nie istnieje jej oficjalna podręcznikowa definicja”, powiedział Lundewn. „Zdecydowaliśmy się użyć metody słabych pomiarów nie zważając na to w jaki sposób jest ona postrzegana przez wielu naukowców”, dodał. Pomimo, że teorię słabych pomiarów opracowano w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku, wciąż jest ona nieprzychylnie odbierana przez środowisko naukowe, ponieważ daje raczej „dziwne” wyniki, które są z reguły znacznie większe od tych, których się spodziewamy. Powodem nieoczekiwanych rezultatów, wyjaśnił Lundeen, jest to, że słaby pomiar daje w wyniku liczbę zespoloną składającą się z części rzeczywistej oraz części urojonej.

artystyczna interpretacja funkcji falowej pojedynczego fotonu
Układ pomiarowy wraz z barwną, artystyczną interpretacją funkcji falowej pojedynczego fotonu

Subtelne pomiary

Zgodnie z teorią, metoda słabego pomiaru umożliwia „delikatny” („słaby”) pomiar układu kwantowego, pozwalając tym samym uzyskać informację na temat jednej wielkości fizycznej (na przykład: położenia) bez większego zaburzania innej wielkości (na przykład: pędu) i dlatego też pozwala określić ewolucję badanego układu. Pomimo, że ilość informacji uzyskana dla każdego z pomiarów jest względnie mała, średnia z wielu pomiarów daje dokładne oszacowanie wielkości pomiarowej bez zaburzania jej stanu końcowego.

Ogólna zasada przeprowadzania tego typu pomiarów, zakłada sprzężenie badanego układu z innym stanem kwantowym, który jest traktowany jako „wskaźnik”. Informację na temat mierzonej wielkości otrzymuje się poprzez obserwowanie zmiany położenia tego wskaźnika. Zazwyczaj, taki sposób pomiaru jest uważany za „silny”, ponieważ istnieje niewielkie pokrycie pomiędzy początkowym i końcowym położeniem wskaźnika. W przypadku słabego pomiaru sytuacja jest wręcz odwrotna: końcowa pozycja wskaźnika w znacznym stopniu pokrywa się z początkowym położeniem. W pomiarach przeprowadzonych przez zespół z Kanady, część rzeczywista funkcji falowej była wyrażona poprzez niewielkie przesunięcie wskaźnika związanego z położeniem fotonu. Natomiast, część urojona funkcji falowej wyrażona była poprzez przesunięcie wskaźnika związanego z pędem takiego fotonu. Tak więc położenie było mierzone „słabiej”, podczas gdy pęd – „silniej”.

Cztery podstawowe kroki

Przeprowadzony eksperyment składał się z czterech podstawowych kroków. Pierwszym z nich było wygenerowanie strumienia pojedynczych fotonów o identycznych funkcjach falowych. „Praktycznie niemożliwym jest dokonanie pomiaru funkcji falowej tylko jednego elementu układu kwantowego, tj. pojedynczego fotonu, tego jesteśmy prawie pewni,” wyjaśnił Lundeen. Aby otrzymać strumień pojedynczych fotonów należało albo silnie osłabić moc wiązki pobudzania lasera albo skorzystać z metody znanej jako spontaniczne parametryczne obniżenie konwersji (SPDC). Kolejnym krokiem było stworzenie układu do słabego pomiaru poprzecznego położenia fotonu poprzez indukowanie obrotu każdej polaryzacji fotonu o kąt 10o. W tym celu użyto kryształu kwarcu. Ponieważ zmiana polaryzacji nie była zbyt duża, układ nie był silnie zaburzony.

Fotony były następnie kolimowane i tylko fotony poruszające się w ściśle określonym kierunku mogły zostać zarejestrowane („silny pomiar”). Końcowy etap polegał na przeprowadzeniu słabego pomiaru dwóch rodzajów polaryzacji skolimowanych wcześniej fotonów. Fotony o polaryzacji liniowej były związane z częścią rzeczywistą mierzonej wielkości, z kolei fotony o polaryzacji kołowej lub eliptycznej – z jej częścią urojoną. Wszystkie zarejestrowane fotony pozwoliły w efekcie na słaby pomiar funkcji falowej. Celem potwierdzenia dokładności uzyskanych wyników, badacze powtórzyli pomiary dla fotonów o różnych funkcjach falowych.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com

Może to Cię również zainteresuje:

Oceń artykuł:

NieprzydatnySłabyPrzeciętnyPrzydatnyBardzo przydatny (Brak ocen)
Loading...

Tagi:

Dodaj komentarz

Pole wymagane
Pole wymagane (e-mail nie będzie widoczny)
Pole wymagane