Российские физики провели экспериментальное исследование эффекта квантового вампира на тепловых состояниях света. В результате было показано, что данный эффект можно объяснить статистическими свойствами излучения, не прибегая к таким понятиям как запутанность или нелокальность. Тем самым учёные опровергают выводы более ранних исследований.

Квантовый вампир – это эффект, проявляющийся в том, что тело, находящееся на пути у света при определённых условиях, не отбрасывает тень. Своё название эффект получил от вымышленных персонажей – вампиров, которые также не отбрасывают тень. Для объяснения эффекта потребовались понятия, тесно связанные с физикой микромира, из-за чего он и стал квантовым.

Учёные рассказывают о мысленном эксперименте, доказывающем эффект. Для этого необходимо представить, что на пути пучка света расположен некоторый объект, рассеивающий фотоны. Таким объектом может служить облако атомов. Обычно в соответствующей области на экране должна наблюдаться тень. Тем не менее, если предположить слабое взаимодействие атомов и излучения, всё меняется. Для этого устанавливается счётчик одиноких фотонов, фиксирующий рассеянные световые частицы. Выявлено, что во время срабатывания счётчика вместо образования тени за облаком атомов происходит проседания освещённости по всей площади светового пучка.

На рисунке показана возможная реализация эффекта с помощью облака поглощающих атомов. Регистрация единичного переизлученного фотона сигнализирует об уничтожении фотона в моде, определяемой формой облака, и запускает запись изображения на камере. Вычитание фотона не приведет к появлению тени от облака на выходном квантовом состоянии, так что распределение интенсивности в нем (оранжевая линия) не изменится. Эта ситуация контрастирует с обычным линейным поглощением, которое приводит к появлению тени на экране (синий пунктир).

Впервые о квантовом вампире стало известно в 2015 году, тогда же его опубликовали в журнале Optica. Реальный эксперимент реализовали на объектах, отличных от мысленного опыта.

На вход светоделителя, роль которого играет полупрозрачная пластинка, подают свет в состоянии, содержащем несколько фотонов  в некоторой моде а. Мода в оптике – это стационарное решение уравнений на распределние электромагнитного поля. Поскольку свет квантован, интенсивность излучения также квантуется и описывается в рамках элементарных квантов света.

Во время попадания пучка на светоделитель В1 свет переходит в состояние квантовой суперпозиции. Он одновременно находится в состоянии отражённом – мода а – и прошедшем через пластинку – мода а2. Далее части единого когерентного состояния сходятся в исходное состояние при помощи светоделителя В3. После этого подсчитывается число фотонов с помощью детектора. На пути моды а1 реализована система, маловероятно способная удалить фотон. Специальный счётчик SPCM3 регистрирует факт удаления фотона.

Согласно эксперименту, если счётчик даёт сигнал, то детектор регистрирует число фотонов  в исходной моде а, уменьшенное на одно значение. В таком случае квантовый вампир «покусал» моду в одном из плечей интерферометра. Данный факт был установлен для одно- и двухфотонных состояний света.

Результаты измерения числа фотонов в собранной моде a в зависимости от того, было поглощение на счетчике SPCM3 (фиолетовые данные) или не было (синие данные). Измерения были проведены для однофотонной (a) и двухфотонной (b) мод.

Учёные продемонстрировали эффект квантового вампира экспериментально на тепловых состояниях света, пространственно разделённых на две разные моды. Согласно их утверждениям, удаление фотона в одной из мод приводит к тому, что в другой детектируется тепловое состояние с изменёнными статистическими свойствами. Эти свойства соответствуют вычитанию фотона.

Результаты исследований можно объяснить и без понятий квантовой нелокальности и запутанности, если просто учесть статистическую (классическую) корреляцию фотонов между собой. Эксперимент приводит к выводам, что эффект квантового вампира на самом деле не до конца «квантовый».

 

Нашли ошибку в тексте?
Выделите ее и нажмите Ctrl + Enter
Предложить свою новость редакции