Interferometrul Mach-Zehnder pentru crearea superopoziției în tehnologiile cuantice

Pentru a ne convinge că fotonul a parcurs într-adevăr două căi simultan, să vedem ce se întâmplă când se adaugă un al doilea divizor de fascicul. Această configurație experimentală este prezentată în Fig. 3.6. Oglinzile redirecționează fotonii către al doilea divizor de fascicul. Această configurație a dispozitivului este cunoscută sub numele de interferometru Mach-Zehnder. Configurația este foarte sensibilă la distanțele dintre oglinzi și detectoare, care trebuie să fie identice sau să difere cu un număr întreg din lungimea de undă a fotonului.

Fig. 3.6 Schema interferometrului Mach-Zehnder de la https://www.st-andrews.ac.uk/physics/quvis/simulations_html5/sims/Mach-Zehnder-Interferometer/Mach_Zehnder_Interferometer.html

Întrebarea 6 Dacă presupunem că fotonul a fost reflectat de primul divizor de fascicul, ce detectoare ar fi declanșate?

(a) Întotdeauna detectorul 1

(b) Întotdeauna detectorul 2

(c) Detectorul 1 SAU detectorul 2

(d) Atât detectorul 1, cât și detectorul 2

(e) Niciunul

Întrebarea 7 Dacă presupunem că fotonul a fost transmis de primul divizor de fascicul, ce detectoare ar fi declanșate?

(a) Întotdeauna detectorul 1

(b) Întotdeauna detectorul 2

(c) Detectorul 1 SAU detectorul 2

(d) Atât detectorul 1, cât și detectorul 2

(e) Niciunul.

Întrebarea 8 Construiți interferometrul Mach-Zehnder în simulatorul de divizor de fascicul[1] și emiteți un singur foton. Care detectoare sunt declanșate?

(a) Întotdeauna detectorul 1

(b) Întotdeauna detectorul 2

(c) Detectorul 1 SAU detectorul 2

(d) Atât detectorul 1, cât și detectorul 2

(e) Niciunul

Dacă fotonul a fost fie transmis, fie reflectat de primul divizor de fascicul, ar avea o șansă de 50/50 de a fi transmis sau reflectat de al doilea divizor de fascicul. Astfel, ambele detectoare ar trebui să se declanșeze cu o probabilitate egală. Cu toate acestea, în mod ciudat, rezultatele experimentale nu sunt de acord cu această ipoteză, deoarece doar un detector este declanșat cu o probabilitate de 100%. Acest fenomen ciudat este înțeles mai intuitiv din perspectiva ondulatorie a luminii.

Pentru a înțelege funcționarea interferometrului, este important de reținut că divizoarele de fascicul au o polaritate. Divizorul de fascicul constă dintr-o bucată de sticlă acoperită cu un dielectric pe o parte. Când lumina intră în divizorul de fascicul din partea dielectrică, lumina reflectată este defazată cu n. Lumina care intră din partea sticlei nu va suferi nicio defazare. Defazarea are loc numai atunci când lumina se deplasează de la un indice de refracție scăzut la unul ridicat (n_aer < n_dielectric < n_sticlă).

Ce înseamnă că un foton este defazat? În acest caz, este mai intuitiv să ne gândim la natura ondulatorie a luminii. Defazarea ar inversa oscilațiile câmpului electric și magnetic față de unda de intrare. Dacă o undă defazată n se suprapune cu unda originală, apare o interferență distructivă, așa cum se arată în Fig. 3.7.

Fig. 3.7 Lumina care trece printr-un divizor de fascicul este defazată dacă este reflectată din partea dielectrică, dar nu este defazată dacă este reflectată din partea sticlei.

Întrebarea 9 Dacă presupunem că lumina este o undă clasică care prezintă interferență, puteți calcula care detectoare ar fi declanșate? Rețineți că primul divizor de fascicul are partea dielectrică în sus, în timp ce al doilea are dielectricul în jos, așa cum se arată în Fig. 3.6.

(a) Întotdeauna detectorul 1

(b) Întotdeauna detectorul 2

(c) Detectorul 1 SAU detectorul 2

(d) Atât detectorul 1, cât și detectorul 2

(e) Niciunul

Nota

[1] https://www.st-andrews.ac.uk/physics/quvis/simulations_html5/sims/Mach-Zehnder-Interferometer/Mach_Zehnder_Interferometer.html.

Sursa: Ciaran Hughes, Joshua Isaacson, Anastasia Perry, Ranbel F. Sun, Jessica Turner (2021) Quantum Computing for the Quantum Curious, Springer Cham, https://doi.org/10.1007/978-3-030-61601-4, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu