İçeriğe atla

Kuantum silgisi deneyi

Kuantum mekaniğinde, bir kuantum silgisi deneyi, kuantum dolanıklık ve tamamlayıcılık dahil olmak üzere kuantum mekaniğinin çeşitli temel yönlerini gösteren bir interferometre deneyidir.[1][2]:328 Kuantum silgisi deneyi, Thomas Young'ın klasik çift yarık deneyinin bir çeşididir. Bir fotonun 2 yarıktan hangisinden geçtiğini belirlemek için harekete geçildiğinde fotonun kendisi ile girişim oluşturamayacağını tespit ediyor. Bir foton akışı bu şekilde işaretlendiğinde, Young deneyinin karakteristik özelliği olan girişim saçakları görülmeyecektir. Deney aynı zamanda hangi yarıktan geçtiğini ortaya çıkarmak için "işaretlenen" bir fotonun daha sonra "işaretinin kaldırılabileceği" durumlar da yaratıyor. "İşaretlenmemiş" bir foton kendisi ile girişim oluşturacak ve bir kez daha Young'ın deneyindeki karakteristik saçakları üretecektir.[3]

Deney

Konsept

Bu deney iki ana bölümden oluşan bir aparat içermektedir. İki dolanık foton oluşturulduktan sonra her biri cihazın kendi bölümüne yönlendirilir. Düzeneğin çift yarıklı kısmında incelenen fotonun dolanık ortağının yolunu öğrenmek için yapılan herhangi bir şey ikinci fotonu etkileyecektir ve bunun tersi de geçerlidir. Deney aparatının çift yarık kısmındaki fotonların dolanık ortaklarını manipüle etmenin avantajı, deneycilerin aparatın o kısmında hiçbir şeyi değiştirmeden ikincideki girişim desenini yok edebilmesi veya eski haline getirebilmesidir. Deneyciler bunu dolanık fotonu manipüle ederek yaparlar ve bunu, foton yayıcı ile tespit ekranı arasındaki deney aparatının yarıklarından ve diğer elemanlarından geçmesinden önce veya sonra yapabilirler. Deneyin çift yarık kısmının girişim olgusunun ortaya çıkmasını önleyecek şekilde ayarlandığı koşullar altında (çünkü kesin "hangi yol" bilgisi mevcuttur), kuantum silgisi bu bilgiyi etkili bir şekilde silmek için kullanılabilir. Bunu yaparak deneyci, deney aparatının çift yarıklı kısmını değiştirmeden girişimi yeniden sağlar.[3]

Bu deneyin bir varyasyonu olan gecikmiş seçim kuantum silgisi deneyi, "hangi yol" bilgisinin "ölçülüp ölçülmeyeceği veya yok edilip edilmeyeceği kararının", dolanık parçacık ortağının (yarıklardan geçen) kendisi ile girişim "oluşturma veya oluşturmama" durumuna kadar izin verir.[4] Gecikmeli seçim deneylerinde kuantum etkileri, gelecekteki eylemlerin geçmiş olaylar üzerindeki etkisini taklit edebilir.[5] Ancak ölçüm eylemlerinin zamansal sırası konuyla ilgili değildir.[6]

Prosedür

Şekil 1. Çapraz polarizasyonlar girişim saçaklarını önler

İlk olarak, bir foton, özel bir doğrusal olmayan optik cihaz aracılığıyla fırlatılır: beta baryum borat (BBO) kristali.[3] Bu kristal, tek fotonu, spontane parametrik aşağı dönüşüm (SPDC) olarak bilinen bir işlemle, daha düşük frekanslı iki dolanık fotona dönüştürür. Bu kristal, tek fotonu, spontane parametrik aşağı dönüşüm (SPDC) olarak bilinen bir işlemle, daha düşük frekanslı iki dolaşmış fotona dönüştürür. Bu dolanık fotonlar ayrı yollar izler. Bir foton doğrudan polarizasyon çözücü detektöre giderken, ikinci foton çift yarıklı maskeden ikinci polarizasyon çözücü detektöre geçer. Bir foton doğrudan polarizasyon çözücü detektöre gider, ikinci foton çift yarıklı maskeden ikinci polarizasyon çözücü detektörden geçer. Her iki dedektör de bir tesadüf devresine bağlanarak yalnızca dolanık foton çiftlerinin sayılmasını sağlar. Bir kademeli motor ikinci dedektörü hedef alan boyunca tarama yapacak şekilde hareket ettirerek bir yoğunluk haritası oluşturur. Bu konfigürasyon tanıdık girişim desenini ortaya çıkarır.

Şekil 2. Üst yola polarizörün eklenmesi, aşağıdaki girişim saçaklarını eski haline getirir

Daha sonra, çift yarıklı maskedeki her bir yarığın önüne bir dairesel polarizör yerleştirilerek, bir yarıktan geçen ışıkta saat yönünde dairesel polarizasyon, diğer yarıktan geçen ışıkta ise saat yönünün tersine dairesel polarizasyon üretilir (bkz. Şekil 1). (Hangi yarığın, hangi polarizasyona karşılık geldiği, ilk dedektör tarafından bildirilen polarizasyona bağlıdır.) Bu polarizasyon ikinci dedektörde ölçülür, böylece fotonlar "işaretlenir" ve girişim deseni yok edilir (bkz. Fresnel-Arago yasaları).

Son olarak, dolanık çiftin ilk fotonunun yoluna bir doğrusal polarizör eklenir ve bu fotona çapraz bir polarizasyon verir (bkz. Şekil 2). Dolanıklık, çift yarıklı maskeden geçen partnerinde tamamlayıcı bir diyagonal polarizasyon sağlar. Bu, dairesel polarizörlerin etkisini değiştirir: her biri saat yönünde ve saat yönünün tersine polarize ışığın bir karışımını üretecektir. Böylece ikinci detektör artık hangi yolun alındığını belirleyemez ve girişim saçakları eski haline döner.

Dönen polarizörlere sahip çift yarık, ışığın klasik bir dalga olduğu düşünülerek de açıklanabilir.[7] Ancak bu deneyde klasik mekanikle uyumlu olmayan dolanık fotonlar kullanılıyor.

Diğer uygulamalar

Kuantum silme teknolojisi, gelişmiş mikroskopların çözünürlüğünü artırmak için kullanılabilir.[8]

Yaygın yanlış anlama

Bu deneyle ilgili yaygın bir yanlış anlama, bunun iki dedektör arasında anında bilgi iletilmesi için kullanılabileceğidir.[9] Ancak basit nedensellik, "verili" bilginin gözlemlenen sonuçlara dayatılmasını engeller. Bu deney düzeneğinde tesadüf dedektörünün rolünü anlamak önemlidir. Üst yoldaki doğrusal polarizör, dolanık fotonların yarısını etkili bir şekilde filtreliyor ve çakışma detektörü aracılığıyla alt yoldaki karşılık gelen fotonları filtreliyor. Tesadüf dedektörü yalnızca her iki sensörden gelen verileri karşılaştırarak çalışabilir, bu da bu kurulumun anlık iletişim için kullanılmasını imkansız hale getirir.

Başka bir deyişle, BBO kristalinden geçen ışığın yalnızca küçük bir yüzdesi dolanık çiftlere bölünür. Kristalden geçen fotonların büyük çoğunluğu bölünmez ve istenmeyen gürültü olarak son veri setinden çıkarılmaları gerekir. Dedektörlerin bir fotonun dolaşık bir çiftin parçası olup olmadığını ölçmesinin bir yolu olmadığından bu karar, zamanlamaya bakılarak ve diğer dedektördeki 'ikizleri' ile aynı anda yakalanmayan fotonların filtrelenmesiyle verilir. Böylece, bir çift dolanık foton oluşturulduğunda, ancak ikisinden biri bir polarizör tarafından bloke edilip kaybolduğunda, geri kalan foton, sanki pek çok dolanık olmayan fotondan biriymiş gibi veri setinden filtrelenecektir. Bu şekilde bakıldığında, iki ölçüm karşılaştırıldığından ve verileri filtrelemek için kullanıldığından, üst yolda değişiklik yapmanın alt yolda alınan ölçümleri etkilemesi şaşırtıcı değildir.

Bu deneysel kurulumun son durumunda, alt yoldaki ölçümlerin her zaman ham veriler üzerinde dağılmış bir model gösterdiğini unutmayın. Bir girişim desenini görmek ancak verilerin tesadüf detektörü ile filtrelenmesiyle ve yalnızca dolanık bir çiftin 1/2'si olan fotonlara bakılmasıyla mümkündür.

Ayrıca bakınız

Dış bağlantılar

Kaynakça

  1. ^ Englert, Berthold-Georg (1999). "Remarks on Some Basic Issues in Quantum Mechanics" (PDF). Zeitschrift für Naturforschung. 54 (1). ss. 11-32. Bibcode:1999ZNatA..54...11E. doi:10.1515/zna-1999-0104. 9 Ağustos 2017 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 10 Nisan 2019. 
  2. ^ Baggott, J. E. (2013). The quantum story: a history in 40 moments. Impression: 3. Oxford: Oxford Univ. Press. ISBN 978-0-19-965597-7. 
  3. ^ a b c Walborn, S. P.; Terra Cunha, M. O.; Pádua, S.; Monken, C. H. (20 Şubat 2002). "Double-slit quantum eraser". Physical Review A (İngilizce). 65 (3). arXiv:quant-ph/0106078 $2. doi:10.1103/PhysRevA.65.033818. ISSN 1050-2947. 
  4. ^ Yoon-Ho, Kim; Yu, R.; Kulik, S.P.; Shih, Y.H.; Scully, Marlan (2000). "A Delayed Choice Quantum Eraser". Physical Review Letters. 84 (1). ss. 1-5. arXiv:quant-ph/9903047 $2. Bibcode:2000PhRvL..84....1K. doi:10.1103/PhysRevLett.84.1. PMID 11015820. 
  5. ^ Fankhauser, Johannes (2019). "Taming the Delayed Choice Quantum Eraser". Quanta. Cilt 8. ss. 44-56. arXiv:1707.07884 $2. doi:10.12743/quanta.v8i1.88. 
  6. ^ Ma, Xiao-song; Kofler, Johannes; Zeilinger, Anton (2016). "Delayed-choice gedanken experiments and their realizations". Rev. Mod. Phys. 88 (1). s. 015005. arXiv:1407.2930 $2. Bibcode:2016RvMP...88a5005M. doi:10.1103/RevModPhys.88.015005. 
  7. ^ Chiao, R Y; Kwia, P G; Steinberg, A M (June 1995). "Quantum non-locality in two-photon experiments at Berkeley". Quantum and Semiclassical Optics: Journal of the European Optical Society Part B. 7 (3). ss. 259-278. arXiv:quant-ph/9501016 $2. Bibcode:1995QuSOp...7..259C. doi:10.1088/1355-5111/7/3/006. 
  8. ^ Aharonov, Yakir; Zubairy, M. Suhail (2005). "Time and the Quantum: Erasing the Past and Impacting the Future". Science. 307 (5711). ss. 875-879. Bibcode:2005Sci...307..875A. CiteSeerX 10.1.1.110.2955 $2. doi:10.1126/science.1107787. PMID 15705840. 
  9. ^ Kastner, R. E. (1 Temmuz 2019). "The 'Delayed Choice Quantum Eraser' Neither Erases Nor Delays". Foundations of Physics (İngilizce). 49 (7). ss. 717-727. arXiv:1905.03137 $2. doi:10.1007/s10701-019-00278-8. ISSN 0015-9018. Kastner (2019): 'Delayed Choice Quantum Eraser Neither Erases Nor Delays', Foundations of Physics

İlgili Araştırma Makaleleri

<span class="mw-page-title-main">Foton</span>

Foton, Modern Fizik'te ışık, radyo dalgaları gibi elektromanyetik radyasyonu içeren Elektromanyetik Alan kuantumu yani ışığın temel birimidir. Ayrıca, Elektromanyetik Kuvvet'lerde kuvvet taşıyan, kütlesiz temel parçacıktır. Parçacık terimi; genelde kütlesi olan veya ne kadar küçük olursa olsun bir cismi var olan anlamıyla kullanılır. Ancak, fotonlar için kullanılırken "en küçük enerji yumağı"nı temsil eden bir birimi ifade eder. Fotonlar Bozon sınıfına aittir. Kütlesiz oldukları için boşluktaki hızı 299.792.458 m/s dir.

Kuantum kriptografisi, kriptografik görevleri gerçekleştirmek için kuantum mekaniği özelliklerinden yararlanma bilimidir. Kuantum kriptografinin en iyi bilinen örneği anahtar değişimi sorununa bilgi teorik açıdan güvenli olan bir çözüm sunan "kuantum anahtar dağıtımı"dır. Kuantum kriptografinin avantajı, yalnızca klasik iletişim kullanılarak imkansız olduğu kanıtlanan veya varsayılan çeşitli kriptografik görevlerin tamamlanmasına izin vermesidir. Örneğin, bir kuantum durumu içinde kodlanmış kopyalanması imkansız veridir. Eğer biri kodlanmış veriyi okumaya çalışırsa, kuantum durumu dalga fonksiyonu çökmesi nedeniyle değişecektir. Bu, kuantum anahtar dağıtımında (QKD) gizli dinlemeyi tespit etmek için kullanılabilir.

Foton çiftleri, birbiri ile aynı özelliği gösteren iki fotondan oluşur.

Kuantum kütleçekim kuramsal fiziğin bir dalı olup doğanın temel kuvvetlerinden üçünü tanımlayan kuantum mekaniği ile dördüncü temel kuvveti kütleçekimin kuramı olan genel göreliliğini birleştireceği düşünülen bir kuramdır.

<span class="mw-page-title-main">Schrödinger'in kedisi</span> Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger tarafından ortaya atılmış düşünce deneyi

Schrödinger'in kedisi, Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger tarafından ortaya atılmış, kuantum fiziğiyle ilgili olan, hakkında çok tartışma yapılmış bir düşünce deneyidir. Genellikle kuantum mekaniği ve Kopenhag Yorumuyla ilgili bir paradoks olarak bilinir.

de Broglie hipotezini doğrulayan fizik deneyi, Davisson-Germer deneyi, Amerikalı fizikçi olan Clinton Davisson ve Lester Germer tarafından 1923-1927 yılları arasında yapıldı. Bu hipotez Louis de Broglie tarafından 1924 yılında ortaya konulmuştur ve hipoteze göre elektron gibi maddenin parçacıklarında dalga tipi bir özellik vardır. Bu deney ise sadece de Broglie hipotezini onaylama ve dalga-parçacık ikilisini sunmakla kalmayıp aynı zamanda kuantum mekaniğine ve Schrödinger denklemi için önemli bir tarihi gelişmedir.

<span class="mw-page-title-main">Polarizörler</span>

Polarizörler belirli bir polarizasyondaki ışığı geçirip diğer polarizasyondaki dalgaları bloke eden optik filtrelerdir. Tanımlı olmayan veya karışık bir polarizasyona sahip bir ışık demetini iyi tanımlanmış polarizasyondaki bir demete dönüştürür. Yaygın polarizör çeşitleri lineer(doğrusal) polarizörler ve dairesel polarizörlerdir. Polarizörler birçok optik teknik ve alette kullanılır, polarize filtreler de fotoğrafçılıkta ve sıvı kristal ekranlarda uygulama sağlar. Polarizörler aynı zamanda ışıktan başka elektromanyetik dalgalar, örneğin radyo dalgaları, mikrodalgalar, X-ışınları için de yapılabilir.

<span class="mw-page-title-main">Çift yarık deneyi</span>

Young deneyi olarak da bilinen çift-yarık deneyi, ışığın dalga özelliği sergilediğini gösterir. Fotoelektrik etkisi ışığın dalga özelliğinin yanı sıra parçacık özelliği de sergilediğini gösterir. Deneyin basit versiyonunda lazer ışını gibi bağdaşık bir ışık kaynağı, iki paralel yarık açılmış ince bir levhayı aydınlatır ve yarıktan geçen ışık levhanın arkasındaki bir ekranda gözlemlenir. Işığın dalga doğası ışık dalgalarının iki yarıktan da geçerek girişim yapmasını ve ekranda aydınlık ile karanlık bantlar oluşturmasını sağlar ki bu sonuç ışık tamamen parçacıklı yapıda olsa beklenemez. Fakat, parçacıklardan veya fotonlardan oluşuyormuş gibi, ekranda her zaman ışığın soğurulduğu görülür. Bu durum dalga-parçacık ikiliği olarak bilinen prensibi ortaya koyar.

<span class="mw-page-title-main">Elitzur-Vaidman bomba testi</span>

Fizikte kuantum mekaniğinde Elitzur–Vaidman bomba testi problemi ilk olarak Avshalom Elitzur ve Lev Veidman tarafından 1993'te önerilen bir teorik deneydir. Gerçek bir deney Anton Zeilinger, Paul Kwiat, Harald Weinfurter, and Thomas Herzog From the University of Innsbruck, Austria and Mark A. Kasevich of Stanford University in 1994. tarafından yapılmış ve sonucu gösterilmiştir. ölçümün yapılıp yapılamadığının gösterilmesi için Mach-Zehnder interferometresi kullanılmıştır.

Dolanıklık, kuantum mekaniğine özgü bir olgudur. Kuantum fiziğine göre iki benzer parçacık birbiriyle eşzamanlılığa sahiptir. Bu parçacıklar ayrı yerlerde birbirinden eşzamanlı olarak etkilenirler. İki elektron parçası ışık yılına yakın uzaklıkta olsa dahi birbirlerini etkileyebilirler. Bu sayede birbirinden ışık yılına yakın bir uzaklıkta olan bir elektron kendi çevresi etrafında sağa dönerken diğer bir elektron parçası sola dönecektir.

Foton polarizasyonu klasik polarize sinüsoidal düzlem elektromanyetik dalgasının kuantum mekaniksel açıklamasıdır. Bireysel foton özdurumları ya sağ ya da sol dairesel polarizasyona sahiptir. Süperpozisyon özdurumu içinde olan bir foton lineer, dairesel veya eliptik polarizasyona sahip olabilir.

Fizikte, tamamlayıcılık Kopenhag yorumuyla yakından ilgili kuantum mekaniğinin temel bir ilkesidir. Bu; nesnelerin aynı zamanda doğru olarak ölçülemeyen tamamlayıcı özelliklere sahip olduğunu ifade etmektedir. Heisenberg belirsizlik ilkesi uyarınca, bir özellik ne kadar doğru ölçülürse, tamamlayıcı özelliği de o kadar az doğru ölçülür. Bundan başka, belirli bir olay tipinin (fenomen) tam olarak açıklanması, bir şekilde tamamlayıcı olan çeşitli olası bazların her birinde yapılan ölçümler ile başarıya ulaşabilir. Tamamlayıcılık ilkesi, kuantum mekaniğinin önde gelen kurucularından olan Niels Bohr tarafından formüle edilmiştir.

Kuantum mekaniği madde ve atomların ve atom içindeki parçacıklar ölçeğinde enerji ile etkileşimlerinin davranışını açıklayan bilimsel ilkeler organıdır: Bu makaleye teknik olmayan konuların tanıtımında ulaşabilirsiniz.

Kuantum mekaniğinin tarihi modern fizik tarihinin önemli bir parçasıdır. Kuantum kimyası tarihi ile iç içe olan kuantum mekaniği tarihi özünde birkaç farklı bilimsel keşif ile başlar; 1838’de Michael Faraday tarafından elektron demetlerinin keşfi, Gustav Kirchhoff tarafından 1859-60 kışı siyah cisim ışıması problemi beyanı, Ludwig Boltzmann’ın 1877 yılındaki fiziksel bir sistemin enerji seviyelerinin ayrıklardan olabileceği önerisi, 1887 yılında Heinrich Hertz’in fotoelektrik etkiyi keşfetmesi ve Max Planck’ın 1900 yılında ileri sürdüğü, herhangi bir enerji yayan atomik sisteminin teorik olarak birkaç farklı “enerji elementi” ε (epsilon) ne bölünebilmesi, bu enerji elementlerinden her birinin frekansına ν orantılı olması ve ayrı ayrı enerji üretebilmesi hipotezi, aşağıdaki formülle gösterilmiştir;

<span class="mw-page-title-main">Bohr-Einstein tartışmaları</span> Bohr-Einsitein arası diyaloglar

Bohr–Einstein tartışmaları, kuantum mekaniği hakkında Albert Einstein ile Niels Bohr arasında süregelen tartışmadır.

Wheeler'ın gecikmiş seçim deneyi aslında John Archibal Wheeler tarafından önerilen kuantum fiziğinin içinde önde gelen 1978 ve 1984 yılları arasında oluşturulmuş düşünce üzerine dayalı bir deneydir. Bu tür deneyler ışığın çift yarık deneyinde deneysel bir aparat olarak yolculuk yapacağı ve kendini düzenleyeceği, kendisi için en doğru karardan yola çıkarak mı yoksa ışığın belli olmayan bir halde olacağını mı yahut dalga mı parçacık mı olduğunu anlama girişimlerinde bulunmak için düzenlenmiştir.

Fizikte iki dalga kaynağı eğer sabit bir faz farkları varsa ve eşit frekansa sahip ise mükemmel bir uyuma sahiptir. Bu dalgaların sabit girişime olanak veren ideal bir özelliğidir. Asla oluşmayacak durumları sınırlayan ve dalga fiziğinin anlaşılmasına yardımcı olan farklı kavramları içerir ve kuantum fiziğinde çok önemli bir konsept olmuştur. Daha genel olarak, uyumluluk tek bir dalganın veya birçok dalga içeren dalga paketlerinin fiziksel özelliklerini tanımlar.

Kuantum biyolojisi, kuantum mekaniğinin ve teorik kimyanın biyolojik nesnelere ve problemlere uygulamalarının incelenmesidir. Birçok biyolojik süreç, enerjinin kimyasal dönüşümler için kullanılabilen biçimlere dönüştürülmesini içerir ve doğası gereği kuantum mekaniktir. Bu tür süreçler, kimyasal reaksiyonları, ışık emilimini, uyarılmış elektronik durumların oluşumunu, uyarma enerjisinin aktarımını ve fotosentezi, koku almayı ve hücresel solunum gibi kimyasal süreçlerde elektron ve protonların aktarımını içerir.

Bell teoremi fizikteki birbiriyle yakından ilişkili birkaç sonucu kapsayan bir terimdir ve bu sonuçların tümü kuantum mekaniği'nin, ölçümün doğası hakkında bazı temel varsayımların olduğu yerel gizli değişken teorileri ile uyumsuz olduğunu belirler. Buradaki "yerel", yerellik ilkesini, bir parçacığın yalnızca yakın çevresinden etkilenebileceği ve fiziksel alanların aracılık ettiği etkileşimlerin ışık hızından daha hızlı yayılamayacağı fikrini ifade eder. "Gizli değişkenler", kuantum teorisine dahil olmayan ancak yine de deneylerin sonucunu etkileyen kuantum parçacıklarının varsayılan özellikleridir. Bu sonuç ailesine adını veren fizikçi John Stewart Bell'in sözleriyle, "Eğer gizli değişkenli bir teori yerel ise, kuantum mekaniği ile uyuşmaz ve eğer kuantum mekaniği ile uyuşursa, yerel olmaz."

İlk olarak Yoon-Ho Kim, R. Yu, S.P. Kulik, Y. H. Shih ve Marlan O. Scully tarafından gerçekleştirilen ve 1998'in başlarında rapor edilen gecikmiş seçim kuantum silgisi deneyi John Archibald Wheeler'ın gecikmiş seçim deneyi'nde ele alınan kavramları içeren kuantum silgisi deneyinin ayrıntılandırılmış bir türüdür. Deney, kuantum mekaniğindeki iyi bilinen çift yarık deneyinin kendine özgü sonuçlarının yanı sıra kuantum dolanıklığının sonuçlarını araştırmak için tasarlandı.