Lesperimento di cancellazione quantistica a scelta ritardata, eseguito per la prima volta da Yoon-Ho Kim, R. Yu, SP Kulik, YH Shih e Marlan O. Scully e pubblicato all'inizio del 1999, è un esperimento di cancellazione quantistica che incorpora il principio dell'esperimento di scelta ritardata di Wheeler. L'esperimento è stato progettato per indagare le conseguenze peculiari del noto esperimento della doppia fenditura in meccanica quantistica e le conseguenze dell'entanglement quantistico.
L'esperimento di cancellazione quantistica a scelta ritardata indaga su un paradosso evidenziato da John Archibald Wheeler in alcuni esperimenti mentali: se un fotone si manifesta come se fosse venuto da un unico percorso sino al rivelatore, allora il "buon senso" (che Wheeler e gli altri sfidano) dice che deve essere entrato nel dispositivo a doppia fenditura come particella, mentre, se si manifesta come se fosse venuto da due percorsi indistinguibili, allora deve essere entrato nel dispositivo come un'onda. Se l'apparato sperimentale viene modificato mentre il fotone è in volo, il fotone dovrebbe invertire la sua originale "decisione" sul fatto di essere un'onda o una particella. Wheeler ha sottolineato che quando queste ipotesi sono applicate ad un dispositivo di dimensioni interstellari, una decisione dell'ultimo minuto fatta sulla terra su come osservare un fotone potrebbe alterare una decisione presa milioni o addirittura miliardi di anni prima.
Gli esperimenti di scelta ritardata hanno confermato la capacità apparente delle misurazioni effettuate su fotoni nel presente di alterare eventi verificatisi in passato, ciò che richiederebbe una visione non-standard della meccanica quantistica. Se però il fotone viene interpretato come una cosiddetta "sovrapposizione di stati", cioè come qualcosa che ha la potenzialità di manifestarsi come una particella o un'onda, ma durante il suo tempo in volo non è ne l'una né l'altra, allora non c'è il paradosso temporale. Questa è la visualizzazione standard e recenti esperimenti l'hanno sostenuta. Si è confermato inoltre l'effetto della cancellazione, cioè la reversibilità degli effetti determinati da opportuni dispositivi sul risultato finale dell'esperimento una volta che questi vengano rimossi o comunque disattivati.
Introduzione Nell'esperimento di base della doppia fenditura, un fascio di luce (di solito un laser) è diretto perpendicolarmente verso una parete forata da due aperture a fessura parallela. Se uno schermo di rilevamento è messo sull'altro lato della parete a doppia fenditura, si osserverà un modello di luce e ombra a frange, un modello che viene chiamato «modello di interferenza». Altri enti su scala atomica come gli elettroni si trovano a mostrare lo stesso comportamento quando vengono sparati verso una doppia fendituraFeynman, Richard P.; Robert B. Leighton; Matthew Sands (1965). The Feynman Lectures on Physics, Vol. 3. US: Addison-Wesley. pp. 1.1–1.8. ISBN 978-0-201-02118-9.. Diminuendo la luminosità della sorgente in maniera sufficiente, singole particelle che formano la figura di interferenza sono rilevabili. L'emergere di una figura di interferenza suggerisce che ogni particella che passa attraverso le fessure interferisce con se stessa e che quindi, in un certo senso, le particelle stanno attraversando entrambe le fessure nello stesso tempo. Questa è un'idea che contraddice la nostra esperienza quotidiana degli oggetti discreti.
Un esperimento mentale ben noto, che ha svolto un ruolo fondamentale nella storia della meccanica quantistica, ha dimostrato che, se i rivelatori di particelle sono posizionati nelle fessure si mostra attraverso quale fenditura un fotone passa, ma in questo caso la figura di interferenza scompare. Questo esperimento illustra il principio di complementarità sul fatto che i fotoni possono comportarsi sia come particelle o come onde, ma non entrambi allo stesso tempo. Tuttavia, realizzazioni tecnicamente possibili di questo esperimento non sono state proposte fino al 1970.
Le informazioni sul percorso e la visibilità delle frange di interferenza sono quantitativi complementari. Nell'esperimento della doppia fenditura, seguendo con la conoscenza convenzionale, si è ritenuto che osservando le particelle esse vengono disturbate di una misura sufficiente a distruggere la figura di interferenza a causa del principio di indeterminazione di Heisenberg.
Tuttavia nel 1982 Scully e Drühl hanno trovato una scappatoia a questa interpretazione. Hanno proposto un "cancellatore quantistico" ideale per ottenere le informazioni del percorso senza disperdere le particelle o comunque con l'introduzione di fattori di fase non controllati da loro. Piuttosto che tentare di osservare quale fotone entrasse in ogni fessura (in questo modo disturbandoli), hanno proposto di "marcarli" con l'informazione che, in linea di principio, permetterebbe ai fotoni di essere distinti dopo il passaggio attraverso le fessure. La previsione teorica è che la figura di interferenza scompare quando i fotoni sono marcati, ma riappare se le informazioni sul percorso vengono ulteriormente manipolate per cancellare le marcature dopo che i fotoni segnalati sono passati attraverso le doppie feritoie. Dal 1982 ulteriori esperimenti, ideali e reali, hanno dimostrato la validità della cosiddetta "cancellazione quantica".
Un semplice esperimento di cancellazione quantica
Una semplice versione della cancellazione quantica può essere descritta come segue: invece di suddividere un fotone o la sua onda di probabilità tra due fessure, il fotone attraversa un divisore di fascio. Si pensi in termini di flusso di fotoni che vengono diretti in modo casuale verso il separatore di fascio determinando due percorsi per l'interazione, in questo modo sembrerebbe che nessun fotone può quindi interferire con altro o con se stesso. Tuttavia, se il tasso di produzione di fotoni è ridotto in modo che solo un fotone entra dell'apparecchiatura nell'unità di tempo, diventa impossibile comprendere se il fotone si muove attraverso un percorso, perché quando le uscite del percorso vengono reindirizzate in modo da coincidere su di un rivelatore o dei rivelatori comuni, i fenomeni di interferenza appaiono.
Nei due schemi raffigurati a lato i fotoni vengono emessi uno alla volta da un laser simboleggiato da una stella gialla. Essi passano attraverso un divisore di fascio al 50% (blocco verde in basso a sinistra) che riflette o trasmette metà dei fotoni. I fotoni riflessi o trasmessi viaggiano lungo due percorsi possibili rappresentati dalle linee rosse e blu. Il divisore è orientato in modo da riflettere i fotoni (percorso rosso) e creare uno sfasamento di 180 gradi con il secondo percorso (percorso blu).
Nel diagramma superiore, le traiettorie dei fotoni sono chiaramente note: se un fotone emerge dalla parte superiore dell'apparecchiatura, doveva provenire dal percorso blu, se emerge dal lato dell'apparecchio doveva provenire dal percorso rosso.
Nel diagramma inferiore un secondo divisore di fascio viene introdotto nella parte superiore destra. Si può così dirigere il fascio verso una delle due porte di uscita. Così i fotoni che emergono da ciascuna porta di uscita potrebbero provenire da uno dei due percorsi. Questo secondo divisore è orientato in modo da riflettere i fotoni che subiscono uno sfasamento di 180 gradi, ma i fotoni trasmessi non lo fanno. Di conseguenza, i fasci rossi e blu emergenti verso l'alto sono 180 gradi fuori fase tra loro, mentre quelli di emissione a destra sono in fase.
Con l'introduzione del secondo divisore di fascio, le informazioni sul percorso sono state "cancellate", cancellando i risultati delle informazioni sul percorso e sui fenomeni di interferenza negli schermi di rilevamento posizionati appena oltre ogni porta di uscita.
Scelta ritardata I precursori degli attuali esperimenti di cancellazione quantistica, come il "semplice cancellatore quantistico" sopra descritto, presentano semplici spiegazioni di onde classiche. In effetti, si potrebbe sostenere che non ci sia nulla di particolarmente quantico di questo esperimento. Tuttavia, Jordan ha sostenuto, sulla base del principio di corrispondenza, che nonostante l'esistenza di tali spiegazioni classiche il primo ordine di esperimenti di interferenza, come quelli sopra, possono essere interpretati come vere cancellazioni quantistiche.
Questi precursori utilizzano l'interferenza di un singolo fotone. Le altre versioni del cancellatore quantistico usando fotoni entangled, tuttavia, sono intrinsecamente non-classici. A causa di ciò, al fine di evitare ogni possibile ambiguità sull'essenza quantistica rispetto l'interpretazione classica, la maggior parte degli sperimentatori ha scelto di utilizzare sorgenti luminose con fotoni entangled per dimostrare la cancellazione quantistica senza l'analogica alla fisica classica.
Inoltre, l'uso di fotoni entangled consente la progettazione e la realizzazione di versioni del cancellatore quantistico che sono impossibili da ottenere con l'interferenza di un singolo fotone, come ad esempio l'esperimento di scelta ritardata, che è l'argomento di questo articolo.
L'esperimento di Kim e altri (2000) La configurazione sperimentale, descritta in dettaglio in Kim ed altri, è illustrata nella figura a destra. Un laser ad argon genera singoli fotoni di 351,1 nm che passano attraverso un apparato a doppia fenditura (linea verticale nera in alto a sinistra del diagramma).Un singolo fotone passa attraverso una (o entrambe) le fenditure. Nella figura, i percorsi dei fotoni sono codificati da linee di colore blu o rosso per indicare da quale fenditura il fotone è passato (il rosso indica la fessura A, l'azzurro la B).
Finora, l'esperimento è come un esperimento di due fenditure convenzionali; tuttavia dopo le fessure, una conversione parametrica viene utilizzata per preparare uno stato a due fotoni entangled. Ciò è ottenuto da un cristallo ottico lineare BBO (beta borato di bario) che converte il fotone (da entrambe le fessure) in due identici fotoni polarizzati ortogonalmente ed entangled con metà della frequenza del fotone originale. I percorsi seguiti da questi fotoni polarizzati ortogonalmente sono condotti a divergere nel prisma di Glan-Thompson.
Uno di questi fotoni a 702.2 nm, indicato come il fotone "segnale" (linee rosse e celesti che vanno verso l'alto dal prisma di Glan-Thompson) continua verso il bersaglio chiamato D0. Durante un esperimento, il rilevatore D0 rileva lungo l'asse x e i suoi movimenti sono comandati da un motore passo-passo. Una serie di "segnali" contano i fotoni rilevati da D0 sull'asse x ed è così possibile esaminare se il segnale cumulativo costituisce una figura di interferenza.
L'altro fotone entangled, indicato come fotone pigro (guarda le linee rosse e azzurre che vanno verso il basso dal prisma di Glan-Thompson), viene deflesso dal prisma PS che lo invia lungo percorsi divergenti a seconda se è provenuto dalla fessura A o B.
Un po' al di là della divisione del percorso, i fotoni pigri incontrano i divisori di fascio BSa, BSb e BSc che hanno ognuno una probabilità del 50% di consentire al fotone di passarvi attraverso e un 50% di causare una riflessione. Ma e Mb sono specchi.
I separatori di fascio e gli specchi dirigono i fotoni pigri verso i rivelatori D1, D2, D3 e D4. Nota che: Se un fotone pigro è rilevato da D3, può solo provenire dalla fessura B (in basso). Se un fotone pigro è rivelato da D4, può solo provenire dalla fessura A (in alto). Se un fotone pigro viene rilevato da D1 o D2, può provenire dalla fessura A o B. La lunghezza del cammino ottico misurato dalla fessura su D1, D2, D3 e D4 è di 2,5 metri più lunga della lunghezza del cammino ottico dalla fessura D0. Ciò significa che tutte le informazioni che il fotone può ricevere da un fotone pigro di rinvio devono essere di circa 8 nsec in ritardo rispetto a quello che si può ricevere dai fotoni entangled.