Лабораторный стенд EDU-BT1/M Тестер бомб

Стенд предназначен для образовательных, демонстрационных и учебных целей, включает всё оборудование и инструменты, а также подробное руководство для удобной сборки и использования.

Лабораторный стенд EDU-BT1/M «Тестер бомб» использует аналоговый эксперимент для наглядного объяснения принципа «квантового измерения без взаимодействия», описанного в мысленном эксперименте "Тестер бомб" (предложен Элицуром и Вайдманом в 1993 году). Этот лабораторный стенд включает компоненты для сборки интерферометра Майкельсона, экран для наблюдения интерференционных полос и детектор для измерения изменений интенсивности света на выходе интерферометра.

Эксперименты:
Мысленный эксперимент "Тестер бомб" демонстрирует принцип «квантового измерения без взаимодействия», предлагая ситуацию, в которой можно обнаружить наличие бомбы (срабатывающей при взаимодействии с фотоном), не вызывая её детонации. Лабораторный стенд EDU-BT1/M включает руководство, которое знакомит студентов с этим мысленным экспериментом, а также компоненты и инструкции для сборки аналогичного эксперимента в учебной аудитории.

Мысленный эксперимент "Тестер бомб"

В стандартном интерферометре Майкельсона свет от лазера разделяется на два пучка при помощи полупрозрачного зеркала (светоделителя). Затем свет распространяется по двум перпендикулярным плечам разной длины. Зеркала на концах плеч отражают лучи обратно к светоделителю, где они снова объединяются. Если разность длин путей соответствует целому числу длин волн, пучки интерферируют конструктивно, формируя яркое пятно на экране, установленном за светоделителем. Если же разность составляет нечётное число полуволн, происходит деструктивная интерференция, и свет взаимно уничтожается.

Интерференционные эксперименты можно также проводить с отдельными фотонами, проходящими через интерферометр один за другим, а не с непрерывным световым пучком. Согласно квантовой механике, каждый фотон в интерферометре может находиться в двух возможных состояниях — соответствующих его присутствию в каждом из плеч. Наблюдаемая интерференционная картина формируется за счёт суперпозиции волновых функций, описывающих эти состояния. В результате фотон может попасть только в те области, где волновые функции не гасят друг друга, то есть — в одну из ярких зон интерференционной картины, которая также наблюдается при непрерывном освещении. Если фиксировать положение каждого фотона на экране в ходе множества испытаний, интерференционная картина воспроизведётся.

Рассмотрим теперь, что произойдёт, если "пометить" один из возможных путей фотона. Принцип неопределённости Гейзенберга утверждает, что на квантовом уровне некоторые пары параметров невозможно точно определить одновременно. Например, чем точнее известно положение частицы, тем менее определён её импульс. Если мы получаем информацию о том, по какому плечу прошёл фотон, это нарушает суперпозицию состояний волновой функции, и интерференционная картина исчезает.

Мысленный эксперимент "Тестер бомб" исследует, как эти принципы можно использовать для обнаружения объекта без непосредственного взаимодействия фотона с ним. Предполагается, что существует набор бомб, которые взрываются при поглощении фотона. Некоторые из них рабочие, а некоторые — муляжи. Однако отличить муляжи от настоящих можно только путём взаимодействия с фотоном. Квантовомеханический подход с определением «пометкой пути» позволяет провести такую проверку без детонации всех активных бомб.

Для выполнения измерения, интерферометр Майкельсона настраивается так, чтобы в центре интерференционной картины возникал минимум (тёмная зона), и этот минимум совпадал с положением детектора (вместо экрана). В одно из плеч интерферометра помещается бомба, и в систему запускается один фотон. Если это муляж, он не взаимодействует с фотоном. Волновые функции из обоих плеч интерферируют, и фотон не достигает детектора. Если бомба активна, она может взаимодействовать с фотоном. Это "помечает" плечо интерферометра с бомбой, разрушая суперпозицию состояний. Фотон может быть зарегистрирован либо бомбой (вызывая детонацию), либо детектором. Если фотон зафиксирован детектором, это означает, что волновая функция коллапсировала в состояние, соответствующее прохождению фотона через плечо без бомбы. Таким образом, мы можем определить наличие активных бомб, не детонируя их все.

Аналоговый эксперимент

Аналоговый эксперимент "Тестер бомб" основан на использовании интерферометра Майкельсона. В комплект входят все необходимые компоненты для сборки установки, а также экран для наблюдения и фотодетектор. В отличие от мысленного эксперимента, в данном случае используется не одиночный фотон, а непрерывный источник зелёного лазерного излучения.

Интерферометр настраивается так, чтобы в центре интерференционной картины наблюдалась деструктивная интерференция (тёмное пятно), и фотодетектор размещается в этой точке. Сценарий с "муляжом" моделируется с помощью свободных от препятствий плеч интерферометра, и значения напряжения на выходе фотодетектора записываются с помощью мультиметра. Затем одно из плеч блокируется — это имитирует наличие активной бомбы — и проводится повторное измерение. Как и в мысленном эксперименте, интенсивность света на детекторе увеличивается, когда одно из плеч перекрыто, так как интерференционная картина нарушается. Доля обнаруженной мощности при блокировке одного плеча соответствует вероятности детектирования фотона в присутствии активной бомбы.

Распространённые методы создания 3D-изображений:
• Анаглифные очки (красно-голубые фильтры) — создают 3D-эффект, но искажают цвета сцены.
• Линейная поляризация — исключает цветовые искажения, но при наклоне головы поляризационные фильтры в очках рассинхронизируются с проекцией, вызывая «двоение».
• Циркулярная поляризация (RealD™) — используется в современных кинотеатрах, обеспечивает естественную цветопередачу и устойчивость к «двоению» при движении головы (рисунок 1).

КОМПЛЕКТАЦИЯ

В составе:
1) Алюминиевая оптическая плита, 1 шт.
2) Основания для крепления 50 мм x 75 мм x 10 мм, 2 шт.
3) Основания для крепления 25 мм x 75 мм x 10 мм, 5 шт.
4) Держатель для стержней Ø12.7 мм с подпружиненным винтом, высота: 20 мм, 1 шт.
5) Стержень для держателей оптики Ø12.7 мм, высота 20 мм, 1 шт.
6) Держатель для стержней Ø 12.7 мм с подпружиненный винтом, фиксируемый шестигранным ключом, высота: 50 мм, 6 шт.
7) Стержень для держателей оптики Ø12.7 мм, высота 50 мм, 6 шт.
8) V-образный зажим с фиксирующей рукояткой, длина: 19.1 мм, 1 шт.
9) Держатель для оптики со стопорным кольцом, Ø25.4 мм, 2 шт.
10) Кинематический держатель оптических элементов Ø25.4 мм, 2 шт.
11) Тубус для крепления линз, длина: 25.4 мм, 1 шт.
12) Кольцо Ø17.8 мм с зажимным винтом для крепления держателей оптики, 1 шт.
13) Адаптер с гнездовым BNC разъемом и винтовыми клеммами, 1 шт.
14) Укороченный BNC терминатор, постоянное сопротивление: 100 кОм, 1 шт.
15) BNC адаптер - T образный (гнездовой-штекерный-гнездовой разъем), 1 шт.
16) SMA коаксиальный кабель, штекерный разъем SMA и штекерный разъем BNC, длина: 304 мм, 1 шт.
17) Корпусированный Si фотодиод, диапазон длин волн: 350-1100 нм, 1 шт.
18) Ирисовая диафрагма с рычагом для регулировки, SM05, Ø0.7 - Ø5 мм, 1 шт.
19) Белый экран 150 х 150 мм, 1 шт.
20) Плоское круглое зеркало с алюминиевым покрытием, Ø25.4 мм, 3.2 мм толщиной, 2 шт.
21) Светоделитель для работы с неполяризованным излучением, 50:50 (отражение:пропускание), Ø25.4 мм, угол падения излучения: 45°, 1 шт.
22) Двояковыпуклая линза из стекла N-BK7, Ø25.4 мм, фокусное расстояние 75.0 мм, без покрытия, 1 шт.
23) Лазерный диодный модуль (P=0.9 мВт, λ=532 нм), 1 шт.

Лабораторный стенд поставляется в упаковочных кейсах с ложементом, методическим описанием, комплектом крепёжных элементов, набором для чистки оптики и инструментами.