Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Eksperimentel bekræftelse af bølge-partikel dualitet

To SPDC krystaller, PPLN1 og PPLN2, pumpes og udsås samtidigt af den samme pumpe og frøkohærente lasere, henholdsvis, hvilket resulterer i emission af to signalfotoner s1 eller s2 til kvanteinterferensdetektion ved PD. Derefter, konjugerede ledige fotoner i1 og i2 giver information om hvilken vej (eller hvilken kilde), hvor den kontrollerbare kilderenhed bestemmes af overlapningen mellem SPACS for en af ​​tomgangstilstandene og den uændrede kohærente tilstand af en anden tomgangstilstand. To tomgangsfelter kan detekteres uafhængigt af detektorerne DA og DB. Kredit:Institut for Grundvidenskab

Det 21. århundrede har uden tvivl været kvantevidenskabens æra. Kvantemekanik blev født i begyndelsen af ​​det 20. århundrede og er blevet brugt til at udvikle hidtil usete teknologier, som omfatter kvanteinformation, kvantekommunikation, kvantemetrologi, kvante billeddannelse, og kvantesansning. Imidlertid, inden for kvantevidenskab, der er stadig uløste og endda uforståelige problemer som bølge-partikel dualitet og komplementaritet, superposition af bølgefunktioner, bølgefunktion kollaps efter kvantemåling, bølgefunktionsindvikling af den sammensatte bølgefunktion, etc.

At teste det grundlæggende princip om bølge-partikel dualitet og komplementaritet kvantitativt, der er behov for et kvantekompositsystem, der kan styres af eksperimentelle parametre. Indtil nu, der har været flere teoretiske forslag efter Neils Bohr introducerede begrebet "komplementaritet" i 1928, men kun nogle få ideer er blevet testet eksperimentelt, med dem at detektere interferensmønstre med lav sigtbarhed. Dermed, begrebet komplementaritet og bølge-partikel dualitet forbliver stadig uhåndgribeligt og er endnu ikke blevet fuldstændig bekræftet eksperimentelt.

For at løse dette problem, et forskerhold fra Institut for Grundvidenskab (IBS, Sydkorea) konstruerede et dobbeltvejs interferometer bestående af to parametriske nedkonverteringskrystaller, der er podet af sammenhængende tomgangsfelter, som er vist i figur 1. Enheden genererer kohærente signalfotoner (kvantoner), der bruges til kvanteinterferensmåling. Kvantonerne bevæger sig derefter ned ad to separate stier, før de når detektoren. De konjugerede tomgangsfelter bruges til at udtrække stiinformation med kontrollerbar nøjagtighed, hvilket er nyttigt til kvantitativt at belyse komplementariteten.

(A) Kvantitativ komplementaritetsrelation P2 + V2 =μs2 med hensyn til γ =∣α2∣ / ∣α1∣ og ∣α∣ =∣α2∣. Her, vejforudsigelighed P repræsenterer partikellignende adfærd, mens frynsesynlighed V repræsenterer bølgelignende adfærd af kvantonen i dobbeltbanens interferometer. Helheden af ​​komplementaritet er afgrænset af kildens renhed. (B) Kilderens renhed μs af kvantonen (signalfoton) og sammenfiltring E mellem kvantonen og hvilken vej (hvilken kilde) detektor danner en anden komplementaritetsrelation μs2 + E2 =1. Disse to mål er afbildet med hensyn til γ =∣ α2∣ / ∣α1∣ og ∣α∣ =∣α2∣. Kredit:Institute for Basic Science

I et rigtigt eksperiment, kilden til kvantoner er ikke ren på grund af dens sammenfiltring med de resterende frihedsgrader. Imidlertid, kvantonkildens renhed er tæt afgrænset af sammenfiltringen mellem de genererede kvantoner og alle de andre tilbageværende frihedsgrader af forholdet μ s =√(1— E 2 ), hvilket forskerne bekræftede eksperimentelt.

Bølge-partikel-dualiteten og den kvantitative komplementaritet P 2 + V 2 = μ s 2 ( P , forudsigelighed a priori; V , synlighed) blev analyseret og testet ved hjælp af dette sammenfiltrede ikke-lineære bi-foton kildesystem (ENBS), hvor overlejringstilstandene af kvantonerne er kvantemekanisk sammenfiltret med konjugerede tomgangstilstande på en kontrollerbar måde. Det blev vist, at a priori forudsigelighed, sigtbarhed, sammenfiltring (altså, kildens renhed, og troskab i vores ENBS-model) afhænger strengt af frøstrålens fotontal. Dette peger på den potentielle anvendelse af denne tilgang til forberedelse af fjerne sammenfiltrede fotontilstande.

Blå punkter er eksperimentelle data hentet fra teamets seneste papir. Eksperimentelle data falder sammen med synligheden V, ikke a priori synlighed V0 over hele intervallerne for γ og | α |. Dette plot validerer holdets analyse af ENBS-eksperimentelle resultater med hensyn til bølge-partikel-dualitet og kvantitative komplementaritetsrelationer. Kredit:Institute for Basic Science

Richard Feynman udtalte engang, at løsningen af ​​kvantemekanikkens puslespil ligger i forståelsen af ​​dobbeltspalteeksperimentet. Det forventes, at fortolkningen baseret på dobbeltvejs interferometri-eksperimenter med ENBS vil have fundamentale implikationer for en bedre forståelse af komplementaritetsprincippet og bølge-partikel-dualitetsrelationen kvantitativt.

Denne forskning blev offentliggjort i tidsskriftet Videnskabens fremskridt.


Varme artikler