Observações do atraso

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 9758 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A superposição quântica é a pedra angular da mecânica quântica, onde as franjas de interferência se originam na autointerferência de um único fóton por meio de características indistinguíveis do fóton. Os experimentos de escolha retardada de Wheeler foram extensivamente estudados para a dualidade onda-partícula nas últimas décadas para compreender a teoria da complementaridade da mecânica quântica. O cerne da borracha quântica de escolha retardada está na característica quântica mutuamente exclusiva que viola a relação causa-efeito. Aqui, demonstramos experimentalmente o apagador quântico usando pares de fótons coerentes pela escolha retardada de um polarizador colocado fora do interferômetro. As soluções de coerência do apagador quântico observado são derivadas de um interferômetro Mach-Zehnder típico, onde a violação da relação causa-efeito é devida a medições seletivas de escolha de base.

Os experimentos de escolha retardada propostos por Wheeler em 19781 para a teoria da complementaridade2 foram intensamente estudados nas últimas décadas3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. Embora o conceito original da teoria da complementaridade seja para a natureza exclusiva entre entidades não comutáveis, como posição e momento, experimentos de escolha retardada foram desenvolvidos para o controle de medição da dualidade onda-partícula em um sistema interferométrico3. A dualidade onda-partícula de um único fóton mostra uma relação de compensação entre a visibilidade da franja baseada na natureza da onda e a informação de qual direção baseada na natureza da partícula . Os experimentos de escolha retardada foram amplamente demonstrados usando luzes térmicas5, fótons emaranhados6,7,8, átomos9,10,11, nêutrons3, lasers atenuados4,12,13 e fótons únicos antiagrupados14,15. Na escolha tardia, um pós-controle das medidas resulta em um fenômeno paradoxal de violação da relação causa-efeito16. O apagador quântico baseia-se na pós-escolha de medidas, escolhendo17 ou apagando18 uma das naturezas. Recentemente, o apagador quântico foi desenvolvido para reverter uma determinada natureza por meio de pós-medições usando fótons emaranhados, fótons coerentes, luzes térmicas e fótons anti-agrupados.

No presente artigo, o apagador quântico de escolha retardada foi demonstrado experimentalmente usando fótons coerentes via controles de base de polarização, onde os fótons coerentes são obtidos a partir de um laser de onda contínua atenuada (cw). Como alguns esquemas de escolha retardada , o presente é para o pós-controle da natureza pré-determinada do fóton. Aqui, nosso interferômetro Mach-Zehnder (MZI), composto por um divisor de feixe polarizador (PBS) e um divisor de feixe (BS), é configurado para a natureza das partículas de acordo com a lei de Fresnel-Arago ou operadores quânticos não interativos. Assim, a informação de qual direção de um único fóton dentro do MZI é um fato pré-determinado, resultando em ausência de franjas de interferência nas portas de saída do MZI. Sem controlar o próprio MZI, entretanto, recuperamos experimentalmente a natureza ondulatória do fóton, controlando a base de polarização do fóton de saída usando um polarizador . Se as pós-medições mostrarem uma franja de interferência, isso representa a violação da relação causa-efeito porque a escolha do polarizador satisfaz a separação espacial. Para isso, medimos correlações de intensidade de primeira e segunda ordem utilizando uma unidade de contagem de coincidências.

A Figura 1 mostra o esquema do presente apagador quântico de escolha retardada usando fótons coerentes gerados a partir de um laser cw atenuado (ver seção “Métodos”). Para a Figura 1, uma unidade de contagem de coincidências (CCU, DE2; Altera) é usada para correlações de intensidade de primeira e segunda ordem entre dois detectores D1 e D2 (SPCM-AQRH-15, Excelitas). Para a correlação de segunda ordem, apenas fótons duplamente agrupados são contados pelo CCU, onde a proporção de geração de fótons duplamente agrupados para fótons únicos é ~ 1% no número médio de fótons \(\langle n\rangle \sim 0.01\) ( consulte a Seção A dos Materiais Suplementares). Para a correlação de intensidade de primeira ordem, ambos os canais de entrada da CCU de D1 e D2 são medidos individualmente por um período de 0,1 s por ponto de dados (ver Fig. 2). Os fótons agrupados de ordem superior são negligenciados pelas estatísticas de Poisson (ver Seção A dos Materiais Suplementares). Para fornecer aleatoriedade de polarização de um único fóton, uma placa de meia onda (HWP) girada em \(22,5^\circ\) é colocada logo antes do MZI. Pelo seguinte PBS, o único fóton dentro do MZI mostra características distinguíveis do fóton com informações perfeitas de qual direção: \({|\psi \rangle }_{MZI}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left ({|V\rangle }_{UP}+{|H\rangle }_{LP}\right)\). Assim, os fótons medidos fora do MZI mostram a natureza de partícula predeterminada de um único fóton (não mostrado), como nas refs.13,14,19.