Difusores de haz y interferómetros Mach-Zender

Question

Tengo una pregunta (mi primera aquí) relacionados con el 50/50 divisor de rayos como se utiliza en el Mach-Zehnder interferómetros (ver por ejemplo la página de la Wikipedia).

Vamos a concentrarnos en la entrada del divisor de haz: Una continua rayo de luz (la entrada) está dividida 50/50, uno en el 90° de la dirección y uno en la dirección de avance de la viga de la entrada. Impulso/conservación de la energía nos enseña que desvía parte de la viga debe ejercer una (pequeña) de la fuerza en el divisor de haz. La parte delantera de la viga no.

En el fotón único (quantum), el divisor de haz debe obtener una ligera "patada" si el fotón es desviado, mientras que el divisor de haz se deja en su estado original si el fotón pasa directamente a través.

Si tengo este derecho tan lejos, ahora podemos aumentar la cantidad de energía (y de momento) de los fotones y la disminución de la masa del divisor de haz (ahora junto a un sensible piezoeléctrico del transductor o algo) para que un fotón "patada" puede ser registrado si desviado. Ahora, "de qué manera" la información está disponible y la interferencia debe ser destruido, como entiendo que esto.

Sería interferencia ser restaurado si el transductor está desconectado? Si sí, ¿cómo el fotón "saber" si el transductor está conectado o no? Tal vez esto está relacionado con la cantidad de fotones/divisor de haz del sistema se pueden enredar con el medio ambiente?

Si la respuesta es "No", ¿cómo débiles deben los fotones de kick estar en orden para el interferómetro para trabajar? Ya sabemos que funciona para el común de la luz (muy pequeño de fotones patadas).

En otras palabras: ¿por Qué no el impulso de cambio (o falta de ella) entre el fotón y el divisor de haz (de seguimiento y la deja en el medio ambiente) destruir la interferencia?

Alternativamente, couls alguien me relevante de la literatura que trata de la transferencia de momentum entre entre los fotones y los elementos de óptica?

Answer 1

Todo se reduce a la cantidad de información no es, en principio, distinguir qué manera el fotón pasó de la fase final del divisor de haz, como codificados en el solapamiento entre sus dos posibles estados finales. La interferencia es destruida por el fotón se involucra con el divisor de haz, y la cantidad de enredo depende de esta superposición.

Decir, entonces, que si el fotón pasa directamente a través del divisor de haz, para el estado de $|\to\rangle$, el divisor de haz se mantiene en su sitio, en el estado de $|0\rangle$, mientras que si el fotón llega desviado hacia el estado de $|\downarrow\rangle$, el divisor de haz pone un poco de impulso hacia arriba, $|\Uparrow\rangle$. Si el resultado es una superposición, entonces, el estado total del sistema se enreda: $$|\Psi\rangle=|\to\rangle|0\rangle + |\downarrow\rangle|\Uparrow\rangle .$$

Independientemente de lo que usted hace para el divisor de haz - es decir, medir su estado o simplemente olvidarse de él - en la ausencia de una medida que se introduce más de las interacciones, la información disponible para producir un patrón de interferencia en el fotón lado está dada por la reducción de la densidad de la matriz obtenida al tomar el parcial de seguimiento sobre el divisor de haz.

El cálculo de este objeto es bastante simple. En el$\{|\to\rangle,|\downarrow\rangle\}$, está dada por $$ \rm{Tr}_{\rm{BS}}(|\Psi\rangle\langle\Psi|) = \begin{pmatrix} 1 & \langle0|\Uparrow⟩ \\ \langle\Uparrow|0⟩&1 \end{pmatrix}. $$ Si el divisor de haz estados son completamente distinguible, entonces son ortogonales y lo que se obtiene en el fotón lado es completamente un estado mixto, $|\to⟩⟨\to|+|\downarrow⟩⟨\downarrow|$, lo cual es totalmente clásica, y de la que no hay interferencia puede ser extraído. Tenga en cuenta que esto ocurre independientemente de si usted realmente medir el divisor de haz del impulso o no.

Si no hay ningún efecto en el divisor de haz, por otro lado, los estados son los mismos, y los fotones de la densidad de la matriz corresponde a un estado puro, $\left(|\to⟩+|\downarrow⟩\right)\left(⟨\to|+⟨\downarrow|\right)$. A continuación podrá ver completa la interferencia, pero no tendrán "de qué manera" la información disponible, ni siquiera en principio.

En cualquier realización física, por supuesto, usted está en algún lugar en el medio. La mayoría de las realizaciones muy similar a los estados para el divisor de rayos, lo que significa que $\langle\Uparrow|0\rangle$ es muy cercano a 1, y se obtiene una buena interferencia, pero a medida que los estados se vuelven más distinguibles, el contraste de las franjas de interferencia se reduce.

Entiendo que esto puede sentirse muy delgada. Después de todo, ¿cómo podemos saber que hemos eliminado todos los posibles lugares donde "de qué manera" la información puede , en principio, estará disponible? De hecho, esta es la forma en que va abajo en el laboratorio, y esa es la razón por la observación de las cosas como Mandel dips es muy, muy delicado: si desea que dos fotones a interferir, usted necesita para asegurarse de que realmente son indistinguibles - en el perfil espacial, el desplazamiento, el espectro y el momento en que - de lo contrario, no será (posiblemente sin ser detectados) enredo con algún otro modo, y que va a reducir o destruir su contraste de interferencia.

Answer 2

Esta es realmente una pregunta muy interesante, a lo largo de las líneas de Bohr-Einstein, los debates acerca de la mecánica cuántica. Las respuestas a estos a tomar un poco de tiempo para trabajar, sin embargo. Otra forma de interpretar la pérdida de la coherencia es que si el divisor es lo suficientemente ligero (sin juego de palabras), el cambio de velocidad en el divisor desde el impulso de la patada, efectivamente la medición de la cual-modo info, va a dar bastante de cambio de fase a la salida de fotones a la destrucción de la interferencia.

Como para el transductor, cuando se conecta, la compresión de que el transductor se traduce en un pulso de voltaje a través de algunas de carga, la amortiguación de la salida del transductor de movimiento (la transferencia de información desde el transductor a su dispositivo de medición). Si usted desconecte el transductor, el impulso de la patada primero comprimir el transductor, y ahora no amortiguados por el circuito de medición, el transductor puede oscilar hasta que el movimiento es amortiguado por la fricción. Esto se traduce en un ligero aumento de la temperatura que es, efectivamente, una medición. El transductor mide la cual-a manera de información.

BTW: si el divisor tiene muy poca fricción, el divisor de movimiento se enreda con el fotón, que de información. Creo que (teniendo problemas para encontrar las referencias que en el momento), los experimentos con muy pequeño, alto Q los resonadores en los sistemas ópticos han mostrado efectos. Óptica de refrigeración de un resonador mecánico [la Naturaleza 475, 359-363 (21 de julio de 2011)] podría ser un lugar para empezar a buscar si usted está interesado en esto.

[Editar: puede utilizar el transductor en sentido inverso, si quieres. Los dispositivos llamados acústico-óptica moduladores (AOMs) el uso de un transductor para inducir ondas de presión en un cristal. La luz que pasa a través de este cristal puede absorber o emitir fotones en la onda acústica. La energía y el impulso de la conservación de la regla, así que si un fotón absorbe un fonón, luego de fotones que aumenta la frecuencia y el fotón se mete una patada lateral. Si el fotón se emite un fonón (emisión estimulada a través de la existente fonones), los fotones de frecuencia baja y el fotón se obtiene un negativo de la patada lateral. Si usted mira un haz láser va a través de una OMA, verá dos o más vigas (depende de la alineación de la OMA) en diferentes ángulos correspondientes a -1 phonon, 0 phonon, y +1 phonon cambios (así como más débil -2 y +2 phonon líneas). La interpretación clásica es que tiene un movimiento de índice de refracción de la rejilla causada por la onda de presión que se difracta los +1 y -1 órdenes. Debido a que la rejilla se mueve con la velocidad del sonido en el cristal, los +1 y -1 órdenes tener ligeros cambios de energía.]

Answer 3

Una pregunta muy interesante. Parece que estás a la derecha, con una cantidad suficiente de luz divisor de haz y un fotón con suficiente impulso como los efectos de la interferencia se desvanecerá como el divisor de haz de las "medidas" a que los fotones.

Fuente: Quantum Procesos de Información y los Sistemas de B. Schumacher, et al. Sección 10.4.