Kontrafaktualitás (fizikai)

Szerint a kvantummechanika , alternatív események , ami történt, de nem fordul elő, befolyásolják a kísérlet eredményeit. Ezt a jelenséget a New Scientist magazin a "Kvantumvilág hét csodája" közé választotta.

Elitzur-Vaidman probléma

Probléma nyilatkozat

Vegye figyelembe a következő eszközt ( Mach-Zehnder interferométer ):

Az A forrás egyetlen fotont bocsát ki. Kimutatható (és kísérletileg igazolható), hogy csak az X detektor rögzíti a foton kimenetét erről az eszközről. Ha nem vesszük figyelembe a kvantumtörvényeket, az X és Y detektoroknak ugyanolyan esélye lenne a foton detektálására az eszköz kijáratánál. Ez a jelenség annak a szuperponált állapotnak köszönhető, amelyet a foton vesz fel a B félig visszaverő tükör elhagyásával: | \ Átvitt foton> + | Reflektált foton>. Ezután ugyanolyan típusú interferencia történik, mint a Young réses kísérletében , E-ben, és nulla a valószínűsége annak, hogy a fotont Y-ban detektálják.

Bemutatás: a fotont csak X-ben lehet kimutatni

A tükör tükrözi az 1/4-es hullámhosszúságú fáziseltolódást. Vagy a jelölést megjegyezni a hullám funkciója a QUANTA A és B között, a C és D, stb |NÁL NÉLB⟩{\ displaystyle | AB \ rangle}|VSD⟩{\ displaystyle | CD \ rangle}

Akkor van . A szám a szabványosításból származik. Valójában állandónak kell lennünk C-vel. Az i szám (i² = -1) az 1/4-es hullámhossz eltolódását jelenti, amely a visszavert állapot. |NÁL NÉLB⟩⇒12(|BVS⟩+én|BD⟩){\ displaystyle | AB \ rangle \ Rightarrow {\ frac {1} {\ sqrt {2}}} (| BC \ rangle + i | BD \ rangle)}12{\ displaystyle {\ frac {1} {\ sqrt {2}}}}⟨NÁL NÉLB|NÁL NÉLB⟩=VS(⟨BVS|+én⟨BD|)×VS(|BVS⟩+én|BD⟩){\ displaystyle \ langle AB | AB \ rangle = C (\ langle BC | + i \ langle BD |) \ szorzat C (| BC \ rangle + i | BD \ rangle)}|BD⟩{\ displaystyle | BD \ rangle}

Arany

|BD⟩⇒én|DE⟩{\ displaystyle | BD \ rangle \ Rightarrow i | DE \ rangle} (reflexió D-n) és |BVS⟩⇒én|VSE⟩{\ displaystyle | BC \ rangle \ Rightarrow i | CE \ rangle} (reflexió a C-n)

ebből kifolyólag

12(|BVS⟩+én|BD⟩)=12(én|VSE⟩+én(én|DE⟩)=én2|VSE⟩-12|DE⟩{\ displaystyle {\ frac {1} {\ sqrt {2}}} (| BC \ rangle + i | BD \ rangle) = {\ frac {1} {\ sqrt {2}}} (i | CE \ rangle + i (i | DE \ rangle) = {\ frac {i} {\ sqrt {2}}} | CE \ rangle - {\ frac {1} {\ sqrt {2}}} | DE \ rangle}

Ez a hullámfüggvény a kvantumok egymásra helyezett állapotát jelenti közvetlenül az E elérése előtt.

Másrészt:

|DE⟩⇒12(|Ex⟩+én|EY⟩){\ displaystyle | DE \ rangle \ Rightarrow {\ frac {1} {\ sqrt {2}}} (| EX \ rangle + i | EY \ rangle)} és |VSE⟩⇒12(|EY⟩+én|Ex⟩){\ displaystyle | CE \ rangle \ Rightarrow {\ frac {1} {\ sqrt {2}}} (| EY \ rangle + i | EX \ rangle)}

ezért a közvetlenül az E előtti állapot egymásra vált: (én2|VSE⟩-12|DE⟩){\ displaystyle ({\ frac {i} {\ sqrt {2}}} | CE \ rangle - {\ frac {1} {\ sqrt {2}}} | DE \ rangle)}

én2×12(|EY⟩+én|Ex⟩)-12×12(|Ex⟩+én|EY⟩)=én2|EY⟩-12|Ex⟩-12|Ex⟩-én2|EY⟩=-|Ex⟩{\ displaystyle {\ frac {i} {\ sqrt {2}}} \ szor {\ frac {1} {\ sqrt {2}}} (| EY \ rangle + i | EX \ rangle) - {\ frac { 1} {\ sqrt {2}}} \ szor {\ frac {1} {\ sqrt {2}}} (| EX \ rangle + i | EY \ rangle) = {\ frac {i} {2}} | EY \ rangle - {\ frac {1} {2}} | EX \ rangle - {\ frac {1} {2}} | EX \ rangle - {\ frac {i} {2}} | EY \ rangle = - | EX \ rangle}

Végül: |NÁL NÉLB⟩⇒-|Ex⟩{\ displaystyle | AB \ rangle \ Rightarrow - | EX \ rangle}

Megjegyzés: a negatív előjel azt jelenti, hogy a kimeneti hullám fázisban van, sőt a "-" jel helyettesíthető a "-1" vagy akár i² szorzóval, mivel i² = -1, vagy két egymást követő 1/4 hullámhosszú eltolás okoz félfázis-eltolódás.

A kvantumokat csak az X detektor képes felismerni.  

Ez a kísérlet szellemében nagyon hasonlít Young réseihez , de lehetővé teszi számunkra a kvantumjelenségek kontrafaktivitásának kiemelését is:

Módosítsuk ezt az eszközt úgy, hogy C most fotondetektor legyen, ugyanolyan típusú, mint X vagy Y. Ezután (elméletileg és kísérletileg) megfigyeljük a következő tényeket:

• Vagy a fotont detektálja C (valószínűség ½)
• Az X és Y detektoroknak azonos esélyük van a foton detektálására (¼ és ¼ valószínűség)

Itt jön be a kontrafaktivitás: ha egy fotont detektálnak Y-ban, ez azért van, mert a C detektor nem tudta volna egyértelműen detektálni a fotont (de nem észlelte, különben a fotont nem lehetett volna észlelni. Y, miután C-ben már kimutatták. Kontraktuális esemény tehát valóban módosítja a kísérlet eredményeit.

Ennek az eszköznek az egyik változata az Elitzur-Vaidman probléma. Tegyük fel, hogy olyan atombombákat készítünk, amelyeket egy rendkívül érzékeny detektor indít el: a bomba felrobban, ha a detonátor egyetlen fotont észlel. Ez az érzékelő a következő tulajdonságokkal is rendelkezik:

• Megbízhatatlan (de vagy mindig működik, vagy soha nem működik)
• Ha nem működik, úgy viselkedik, mint a C fényvisszaverő tükör
• A detektor tesztelésére nincs más mód, mint a bombával együtt történő használata.

A kormány megbízható bombák készlettel kíván rendelkezni, a detektor működése garantált. Hogyan tesztelheti a detektort anélkül, hogy felrobbantaná az összes megbízható bombát?

A kvantumfizika megadja nekünk az eszközöket: helyezzünk el egy bombát C-ben, és küldjünk fotont A-ba. Ha a fotont Y-ban észlelik, az azért van, mert a bomba-detektor felismerhette volna a fotont, és ezért a bomba hiteles. megbízható. De nem robbant fel.

Ha a fotont X észleli, nem lehet következtetni a bomba megbízhatóságára. Természetesen, ha a bomba felrobbant, megbízható volt. A folyamat iterálásával, a nem felrobbant és az X detektáláshoz társított bombák játékba helyezésével akár 1/4 + 1 / 4,1 / 4 + 1 / 4,1 / 4,1 / 4 +… = 1/3 részt is igazolhatunk a kezdeti bombák közül.

Kapcsolódó cikkek

• Kvantummechanika
• A kvantummechanika paradoxonjai
• Kvantumfizika
• A kvantummechanika posztulátumai

Megjegyzések és hivatkozások

Megjegyzések

1. A kvantumvilág hét csodája , newscientist.com

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">