Лабораторный стенд EDU-QE1/M Квантовый ластик

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

Экспериментальная часть дает возможность:
· узнать, как фотоны создают интерференционную картину в интерферометре Маха–Цендера;
· пронаблюдать принцип дополнительности корпускулярно-волнового дуализма света;
· изучить, как поляризация «отмечает» и «стирает» информацию о пути каждого фотона.

Лабораторный стенд EDU-QE1/M «Квантовый ластик» наглядно демонстрирует квантовомеханический принцип дополнительности и возможности стирания информации о траектории фотона. Этот эксперимент разработан для наглядного объяснения фундаментальных принципов квантовой физики и наглядно показывает, насколько поведение природы на квантовом уровне может противоречить интуиции.

Эксперименты:
В эксперименте с квантовым ластиком одиночные фотоны направляются в интерферометр Маха–Цендера. С помощью линейных поляризаторов фотоны «помечаются» — им придаётся горизонтальное или вертикальное состояние поляризации, что указывает, через какое плечо интерферометра они прошли. Интерференционная картина (волновое свойство) и информация о пути (корпускулярное свойство) не могут быть измерены одновременно: определение пути разрушает интерференцию. Третий линейный поляризатор, установленный после объединения лучей, «стирает» информацию о пути, делая фотоны вновь анонимными, и интерференционная картина восстанавливается.

В отличие от оригинального эксперимента, где использовались одиночные фотоны, данный стенд использует непрерывный источник зелёного лазерного излучения, создающий видимый глазу луч. Хотя результаты этого эксперимента могут быть объяснены в рамках классической физики, квантово-механическое описание позволяет провести точную аналогию с экспериментом с одиночными фотонами.

Эксперимент с квантовым ластиком

Эксперимент с квантовым ластиком демонстрирует квантово-механические принципы дополнительности, информации о пути и суперпозиции. Интерферометр позволяет наглядно показать волновую природу света, создавая две оптические траектории с немного разной длиной. Согласно классической интерпретации, свет, пройдя по обеим путям интерферометра, попадает на экран. Если разность путей кратна целому числу длин волн, возникает яркое пятно за счёт конструктивной интерференции; если она равна нечётному числу полуволн — возникает тёмное пятно вследствие деструктивной интерференции. Поскольку лучи света в системе проходят пути различной длины из-за наличия линзы, образуется характерная кольцевая интерференционная картина.

Интерференционные эксперименты можно также проводить с источниками света, испускающими по одному фотону за раз (одиночными фотонами). Классическая физика предположила бы, что одиночный фотон должен выбрать один из двух путей, и интерференция не возникнет, так как весь свет проходит по одной траектории. Однако к экспериментам с одиночными фотонами классическая интерпретация неприменима и не даёт точных предсказаний.

На квантовом уровне существует множество пар взаимосвязанных величин, которые невозможно точно определить одновременно. Например, принцип неопределённости Гейзенберга гласит: чем точнее известно положение частицы в данный момент времени, тем менее точно можно определить её импульс. Если существует информация (даже если она не зафиксирована наблюдателем) о каком-либо свойстве, например, о том, какой путь прошёл фотон, то волновая интерференция исчезает — суперпозиция волновых функций разрушается. Но если информации о каком-либо измерении нет, волновые функции различных состояний фотона накладываются, создавая интерференционную картину. Более того, если такая информация когда-то существовала, но затем была уничтожена или «стёрта» (так что путь фотона уже невозможно определить), волновая интерференция вновь появляется.

Таким образом, результат эксперимента с одиночными фотонами зависит от того, пытался ли экспериментатор измерить, по какому пути прошёл фотон. Если информация о пути фиксируется, суперпозиции больше нет, и интерференция исчезает — на экране остаётся лишь одно большое пятно. Но если информацию о пути «стереть» до её регистрации, интерференционная картина вновь проявляется.

Демонстрация квантового ластика
Демонстрация квантового ластика представляет собой аналог оригинального эксперимента с одиночными фотонами, но использует непрерывный лазерный пучок, видимый невооружённым глазом. Интерференционная картина создаётся с помощью интерферометра Маха–Цендера и зелёного лазерного диода и наблюдается на двух экранах, как показано на рисунке 2. Линейные поляризаторы, установленные в каждом из двух путей, пропускают только горизонтально или вертикально поляризованный свет, тем самым предоставляя информацию о том, какой путь прошёл фотон. Как и ожидалось, интерференционная картина исчезает. Третий поляризатор, установленный после объединения лучей под углом 45° к первым двум, выполняет функцию «ластика», стирая информацию о пути — и интерференционная картина вновь проявляется. Хотя такие результаты можно объяснить с позиций классической оптики и поляризации, квантово-механическая интерпретация служит точной аналогией эксперименту с одиночными фотонами.

Демонстрация фазы Панчаратнама :

Теория
Электромагнитные волны характеризуются как состоянием поляризации, так и динамической фазой, которую необходимо учитывать при рассмотрении их прохождения через различные материалы. Плоская электромагнитная волна с угловой частотой ω, распространяющаяся вдоль оси z, может быть описана своим вектором электрического поля:

 В этом уравнении динамическая фаза описывается выражением:

  где n — показатель преломления среды, c — скорость света, φ₀ обозначает начальную или опорную фазу. Состояние поляризации волны определяется соотношением амплитуд и фазовой разностью между компонентами вектора электрического поля вдоль осей x и y, что выражается следующей частью уравнения: где δ относительная фазовая разность между E_x и E_y. Если во время распространения волны изменяется её состояние поляризации, то к динамической фазе может добавиться дополнительный фазовый вклад. Этот вклад известен как фаза Панчаратнама (или фаза Панчаратнама — Берри).

Эксперимент

Для наблюдения фазы Панчаратнама достаточно внести небольшие изменения в интерферометр Маха-Цендера. Поскольку для наблюдения этого эффекта требуется круговая поляризация, между лазерным источником и первой линзой в схеме необходимо добавить линейный поляризатор и четвертьволновую пластину. Недорогой способ реализовать это — использовать 3D-очки от кинотеатров, например, 3D очки RealD™, которые входят в наш стенд EDU-3D1/M «Технология поляризации и 3D-кино».

При отражении круговой поляризованный свет меняет своё состояние на противоположное: при каждом отражении левый круговой свет превращается в правый круговой, и наоборот. В стандартной конфигурации интерферометра Маха–Цендера свет в каждом плече проходит одинаковое количество отражений, и, следовательно, при объединении лучей на последнем светоделителе перед выходом в порт A (или B) оба луча находятся в одинаковом состоянии поляризации.

Чтобы продемонстрировать фазу Панчаратнама, в одно из плеч интерферометра добавляется дополнительное зеркало, создающее ещё одно отражение, а значит — и ещё одно изменение состояния поляризации в этом плече. Длины оптических путей в обоих плечах выравниваются с высокой точностью, чтобы исключить влияние динамической фазы. На схеме (рисунок 3) показано, как изменяется состояние поляризации при каждом отражении, когда свет проходит через интерферометр. В результате выходной сигнал в портах A или B состоит из комбинации правого кругового света из одного плеча интерферометра и левого кругового света из другого. Поскольку эти состояния поляризации являются ортогональными, интерференционные полосы на экране не появляются.

Если перед портом A или B установить линейный поляризатор, на экране проявится интерференционная картина. Поляризатор выбирает компоненты правого и левого кругового света, параллельные его оси пропускания. Если ось пропускания поляризатора наклонена под углом φ к оси x, то после прохождения через него оба луча становятся линейно поляризованными, когерентными и с одинаковым состоянием поляризации, но с относительной фазовой разностью 2φ. Это и создаёт интерференционную картину, видимую на экране.

При повороте линейного поляризатора интерференционные полосы смещаются несмотря на то, что разность оптических путей между плечами интерферометра остаётся неизменной — значит, динамическая фаза не влияет на результат. Смещение полос полностью обусловлено разностью поляризаций света из двух плеч интерферометра, которая, после прохождения через поляризатор, проявляется как разность фаз. Эта фазовая разность и есть проявление фазы Панчаратнама.

КОМПЛЕКТАЦИЯ

В составе:
1) Алюминиевая оптическая плита, 1 шт.
2) Адаптер для цилиндрических компонентов Ø11 мм, Ø25.4 мм, 1 шт.
3) Кинематический держатель тонких оптических элементов Ø50.8 мм, 2 шт.
4) Дихроичный пленочный поляризатор: 50.8 x 50.8 мм, рабочий диапазон: 400 - 700 нм, 1 шт.
5) Держатель оптических элементов Ø25.4 мм с возможностью вращения, диск со шкалой может вращаться независимо от закрепленного элемента, 3 шт.
6) Стержень для держателей оптики Ø12.7 мм, высота 75 мм, 10 шт.
7) Стержень для держателей оптики Ø12.7 мм, высота 50 мм, 2 шт.
8) Держатель для стержней Ø 12.7 мм с подпружиненный винтом, фиксируемый шестигранным ключом, высота: 75 мм, 9 шт.
9) Держатель для стержней Ø 12.7 мм с подпружиненный винтом, фиксируемый шестигранным ключом, высота: 75 мм, 2 шт.
10) Держатель для стержней Ø12.7 мм с подпружиненным винтом, фиксируемый шестигранным ключом и основанием для крепления с помощью прижима, высота: 81 мм, 1 шт.
11) Основания для крепления 25 мм x 75 мм x 10 мм, 8 шт.
12) Основания для крепления 25 мм x 58 мм x 10 мм, 1 шт.
13) Основания для крепления 50 мм x 75 мм x 10 мм, 2 шт.
14) Универсальный короткий прижим, паз: 31.5 мм, 1 шт.
15) Акриловые мишени для юстировки, 1 шт.
16) Держатель для оптики со стопорным кольцом, Ø25.4 мм, 1 шт.
17) Кинематический держатель оптических элементов Ø25.4 мм, 3 шт.
18) Белый экран 150 х 150 мм, 2 шт.
19) Плоское круглое зеркало с алюминиевым покрытием, Ø25.4 мм, 3.2 мм толщиной, 2 шт.
20) Светоделитель для работы с неполяризованным излучением, 50:50 (отражение:пропускание), Ø50.8 мм, угол падения излучения: 45°, 2 шт.
21) Двояковыпуклая линза из стекла N-BK7, Ø25.4 мм, фокусное расстояние 75.0 мм, без покрытия, 1 шт.
22) 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.