מה אני חוקר – 3.2 – ניסוי בהתאבכות קוונטית

 בפוסט הקודם הראינו ניסוי שממחיש את העיקרון הקוונטי לפיו לא קיים "חצי פוטון". עיקרון קוונטי חשוב נוסף הוא עיקרון הסופר-פוזיציה, לפיו המציאות יכולה להימצא "בו זמנית" בכמה מצבים שונים, עם אמפליטודה שונה לכל מצב. כאשר מבצעים מדידה ההסתברות למדוד מצב מסוים הוא האמפליטודה של המצב בערך מוחלט בריבוע.

נתאר כעת ניסוי בו אנחנו מכניסים למפצל קרן פוטון אחד לכל רגל (ראו איור למטה). קיימות ארבע אפשרויות. שתיים הן פשוטות: שהראשון יוחזר והשני יעבור, ואז שניהם יגיעו לגלאי הראשון, או שהראשון יעבור והשני יוחזר ואז שניהם יגיעו לגלאי השני, נקרא להם מצבים (2,0) ו(0,2). אבל קיימות שתי אפשרויות נוספות: ששני הפוטונים יוחזרו, או ששניהם יועברו. בשני המקרים התוצאה תהיה פוטון אחד בכל גלאי (1,1). נדגיש כי שני אלו מצבים *זהים* מבחינה קוונטית, וזוהי הדגמה גם של עיקרון החלקיקים הזהים הכללי יותר, ספציפית של בוזונים, אבל לא נתעכב על זה כאן.

נאיבית, גם אם נקבל שהשדה הוא מקוונטט, נצפה שבחצי מהמקרים (2 מתוך 4) נמדוד קורלציה: שקיים פוטון בכל גלאי בו זמנית. קלאסית וודאי שאין בעיה שיהיה אור בו זמנית בשני הגלאים. אבל במציאות – לעולם לא נמדוד שני קליקים בו זמנית. למה? מעבר כפול או החזרה כפולה יוצרים את אותו המצב (1,1), ובמקרה כזה תורת הקוונטים אומרת לנו שצריך לסכום את האמפליטודות של המצב (שנובעות משתי האפשרויות להגיע אליו), ומתקיימת התאבכות הורסת קוונטית. מכיוון שכשפוטון מוחזר המצב מקבל פאזה של i, אז המצב בו שני הפוטונים מוחזרים מקבל פקטור של i בריבוע, או של מינוס 1, ולכן בסך הכל מקבלים אמפליטודה 0 למצב בו יש פוטונים בשני הגלאים! (ראו נוסחה למטה)

ניסוי זה בוצע לראשונה על ידי Hong, Ou, ו-Mandel, והם הראו שכאשר הפוטונים הם באמת זהים, אנחנו מקבלים התאבכות קוונטית שגורמת לזה שלא ימדדו קורלציות כלל! ממש מפליא. הניסוי הזה והניסוי מהפוסט הקודם מאוד יפים – אבל מה אפשר לבנות עם זה? בשני הפוסטים הבאים נסביר איך העקרונות הבסיסיים שתיארנו מאפשרים לנו ליצור "הצפנה קוונטית", שזו אחת האפליקציות המסחריות המשמעותיות כיום של האופטיקה הקוונטית.