מה אני חוקר – 3.1 – אופטיקה קוונטית: פוטון ולא חצי פוטון

 בדומה לחלקים הקודמים, גם הפעם אתן רקע כללי על התחום של אופטיקה קוונטית וטעימות מעניינות ופשוטות יחסית, לפני שאצלול קצת יותר לעומק לדברים שקשורים ישירות למחקר שלי.

הגדרה לא רעה לשאלה "מה זה אופטיקה קוונטית?" היא אוסף התופעות הקשורות לאור (אופטיקה) שאי אפשר להסביר באמצעות משוואות מקסוול הקלאסיות. הרבה מהתופעות הללו נובעות מכמה עקרונות בסיסיים. עיקרון אחד הוא שהשדה האלקטרו-מגנטי הוא מקוונטט. המשמעות היא בעצם שיש דבר כזה פוטון, שהוא קוונטה (מנה בדידה) של שדה חשמלי. לא יכול להיות שדה חשמלי עם אמפליטודה של "חצי פוטון".

ניסוי מפורסם שרומז לכיוון זה הוא האפקט הפוטואלקטרי, שבזכות ההסבר שלו זכה איינשטיין בפרס הנובל. נתאר ניסוי נוסף ויותר פשוט שממחיש את הנקודה. נניח כי אנחנו מכניסים למפצל קרן (beam splitter או בקיצור BS) פוטון בודד, ויש ברשותנו גלאי יחיד. בהסתברות חצי הפוטון יעבור דרך מפצל הקרן ויגיע ליציאה מספר 2; ובהסתברות חצי הוא יוחזר, יצבור פאזה של i מההחזרה (ממש כמו עם גלים קלאסיים), ויגיע ליציאה 1 (ראו איור למטה). לא משנה באיזו יציאה נציב את הגלאי שלנו נקבל שחצי מהאור מגיע אליו. זהו גם הניבוי של התורה הקלאסית.

לעומת זאת, אם יש לנו שני גלאים, נוכל לבצע מדידה של קורלציות: נבדוק האם הגיע אור לגלאי 1 ולגלאי 2 *בו זמנית*. לפי התורה הקלאסית אין שום מניעה שחלק מהאור ילך לגלאי הראשון וחלק לגלאי השני ויהיה אור בשניהם בו זמנית. אבל לפי התורה הקוונטית אז אין דבר כזה "חצי פוטון", ולכן הפוטון יגיע או לגלאי הראשון או לגלאי השני, אבל אף פעם לא לשניהם. אם אכן נשלח פוטון בודד לתוך מפצל הקרן ונבצע את המדידות – נגלה שאכן לעולם לא נמדוד "קליקים" בשני הגלאים בו זמנית!

[נחדד שלייזר שמחלישים אותו מאוד מאוד יכול להוציא *בממוצע* פוטון אחד בשניה, אבל זהו לא מצב של "פוטון בודד" במדויק, אלא משהו שנקרא "מצב קוהרנטי מוחלש". זה נושא מעניין שאני לא חושב שאכתוב עליו בצורה מסודרת, אז אם מעניין אתכם אתם מוזמנים לשאול בתגובות!]

זהו ניסוי ראשון שממחיש את העיקרון של הקווינטוט של השדה. אנחנו גם נחשפים פה לעיקרון כללי: לא תהיה אבחנה בין ניבויים קלאסיים לקוונטיים במדידות פשוטות של עצמה עם גלאי בודד. רק מדידה של "מומנטים גבוהים יותר", כמו מדידה של קורלציות תוכל לספק אבחנה כזו.