Елизур-Вајдманов тестер на бомби

Елизур-Вајдманов тестер на бомби е мисловен експеримент во квантна механика, кој користи мерења без интеракции за да провери дали бомбата е функционална без да мора да се активира. Ова мислење беше зачнато во 1993 година од страна Авшалом Елизур и Лев Вајдман. Од нивното објавување, експериментите од реалниот свет потврдија дека нивниот теоретски метод работи како што е предвиден.

Тестерот за бомби ги искористува двете одлики на елементарните честички, како што се фотони или електрони: нелокалност и корпускуларно-бранов дуализам. Со поставување на честичката во квантна суперпозиција, можно е експериментот да потврди дали бомбата работи без да се активира нејзината детонација, иако има уште 50% шанси бомбата да се активира во обидот.

 Заднина 
Тестот за бомба е мерење без интеракција. Идејата за добивање информации за објект без интеракција со него не е нова. На пример, има две кутии, од кои едната содржи нешто, а другата не содржи ништо. Ако отворите една кутија и не видите ништо, знаете дека другата содржи нешто, без никогаш да ја отворите. 

Овој експеримент влече корени од експериментот со двојни процепи и други покомплексни концепти што го инспирирале, вклучувајќи ја и мачката на Шредингер и експериментот на Вилер за одложен избор.  Однесувањето на елементарните честички е многу различно од она што го доживуваме во нашиот макроскопски свет. Нивното забележано однесување може да биде однесување на бран или честичка (види бранов дуализам), а нивното однесување слично на бран подразбира она што се нарекува „ суперпозиција “. Во оваа состојба, некои својства на честичката, на пример, нејзината локација, не се дефинитивни. Додека сте во суперпозиција, сите и сите можности се подеднакво реални. Значи, ако е возможно честичката  да постои на повеќе од една локација, во одредени сетила кои се експериментално корисни, таа постои во сите нив истовремено. Бранот на честичката може подоцна да се „ сруши “ со набљудување, во кое време е дефинитивна нејзината локација (или друго измерено својство) во моментот на набљудување. Потоа може да се присоберат информации не само за реалната состојба на честичката, туку и за другите состојби или локации во кои таа „постоела“ пред колапсот. Ова присобирање информации е можно дури и ако честичката никогаш не била фактички во некоја од конкретните состојби или локации што се од интерес.

 Како работи 
десно|мини| Слика 1: Илустрација на експериментот со помош на Мах-Зенддеровиот интерферометар
десно|мини| Слика 2: Легенда за слика 1
Размислете за колекција на бомби чувствителни на светло, од кои некои  од нив се неуспешни (тапи бомби). Кога нивните активирачи откриваат каква било светлина, дури и единствен фотон, светлината се апсорбира и бомбата експлодира. Предизвикувачите на  неуспешните бомби  немаат сензор, па затоа фотонот не може да се апсорбира. Така, тапата бомба нема да го открие фотонот и нема да се активира. Дали е можно да се утврдат кои бомби се функционални, а кои се тапи, без да се активираат сите неексплодирани?

 Компоненти 

 Бомба чувствителна на светлина: не е познато дали е во жива или е тапа.
 Емитувач на фотони: произведува единствен фотон за целите на експериментот.
 Фотон: откако е емитиран, тој патува низ кутијата подолу.
 „Кутија“ која содржи:
 Почетно полусребрено огледало: фотонот влегува во кутијата кога ќе се сретне со овој „ сплитер на зрак “. Фотонот или ќе помине низ огледалото и ќе патува по „долната патека“ внатре во кутијата, или ќе се рефлектира под агол од 90 степени и ќе патува по „горниот пат“ на кутијата.
 Бомбата за која станува збор: бомбата е претходно поставена во кутијата на „долната патека“. Ако бомбата е жива и дојде во контакт со фотон, таа ќе се активира и ќе се уништи себеси и фотонот. Ако, сепак, бомбата е тапа, фотонот ја поминува и продолжува по должината на долната патека.
 Пар обични огледала: едно огледало се наоѓа на секоја патека на зракот. Тие се поставени да го пренасочуваат фотонот, така што двете патеки се пресекуваат едни со други во иста позиција како и вториот сплитер на зракот.
 Втор сплитер на зрак: идентичен со почетниот. Овој сплитер на зракот е поставен спроти првиот, на пресекот помеѓу долната патека и горната патека (откако ќе бидат пренасочени од обичните огледала), на излезот од кутијата.
 Пар детектори на фотони: сместени надвор од кутијата, тие се порамнети со вториот сплитер на зракот. Фотонот може да се открие на едното или другото, но никогаш и на обајцата.

 Дел 1: Суперпозиција 
десно|мини| Слика 3: Штом фотонот се сретне со сплитерот на зракот, тој влегува во суперпозиција каде што и поминува низ и се рефлектира од полусребреното огледало
Суперпозиција во тестерот за бомби се создава со аголно полусребрено огледало, што му овозможува на фотонот или да помине низ него, или да се рефлектира од него под агол од 90 степени (види слика 3). Постои еднаква веројатност тоа ќе го стори или. Фотонот влегува во суперпозиција, во која ги прави и двете. Единствената честичка поминува низ и се рефлектира од полусребреното огледало. Од тој момент, единствениот фотон постои на две различни локации.

Долж горната и долната патека, честичката ќе наиде на обично огледало, позиционирано да ги пренасочува двете насоки една кон друга. Потоа се пресекуваат на второто полусребрено огледало. Од другата страна, се поставуваат пар детектори така што фотонот може да се открие од кој било детектор, но никогаш од двата детектори. Исто така можно e  фотонот да не е откриен од ниту еден детектор. Врз основа на овој исход, со жива бомба, има 50% веројатност да експлодира, 25% веројатност да биде идентификувана како добра без да експлодира и 25% веројатност да нема резултат.

 Дел 2: Бомба 
десно|мини| Слика 4: Ако бомбата е жива, таа ќе го апсорбира фотонот и ќе се активира. Ако е тапа бомбата, фотонот е недопрен и продолжува по долната патека.
десно|мини| Слика 5 Како на слика 4, фотонот ја поминува долната патека кон бомбата, но во суперпозиција, каде што ја поминува и горната патека.
По долната патека е поставена бомба осетлива на светлина. Ако бомбата е добра, кога ќе пристигне фотон, таа ќе експлодира и двата ќе бидат уништени. Ако е тапа, фотонот ќе помине непроменет (види слика 4). За да разбереме како работи овој експеримент, важно е да се знае дека бомбата е еден вид набљудувач и дека оваа средба е еден вид набљудување. Според тоа, бомбата набљудувач може да ја сруши суперпозицијата на фотонот, во кој фотонот се движи по горната и долната патека. Кога ќе стигне до живата бомба или детекторите, како и да е, може да била само на едниот или на другиот. Но, како радиоактивниот материјал во кутијата со познатата мачка на Шредингер, при неговата средба со полусребреното огледало на почетокот на експериментот, фотонот, парадоксно, комуницира и не комуницира со бомбата. Според авторите, бомбата експлодира и не експлодира.   Сепак ова е само во случај на жива бомба. Во секој настан, откако ќе го забележат детекторите, тој поминал само една од патеките.

 Дел 3: Второ полусребрено огледало 
десно|мини| Слика 6: Второто полусребрено огледало и двата детектори се поставени така што фотонот ќе пристигне до детекторот Ц само ако има пречки на бранот. Ова е можно само ако бомбата е тапа.
Кога се судираат два брана, процесот со кој тие влијаат едни на други се нарекува интерференција. Тие можат или да се зајакнат едни со други со „конструктивна интерференција“, или да се ослабат едни со други со „деструктивна интерференција“. Ова е точно дали бранот е во вода, или e единствен фотон во суперпозиција. Значи, иако има само еден фотон во експериментот, поради неговата средба со полусребреното огледало, тој делува како два. Кога „тоа“ или „тие“ се рефлектираат од обичните ретровизори, тоа ќе се интерферира со себе како да се работи за два различни фотони. Но, тоа е точно само ако бомбата е тапа. Живата бомба ќе го апсорбира фотонот кога ќе експлодира и нема да има можност фотонот да интерферира со самиот себе.

Кога ќе стигне до второто полусребрено огледало, ако фотонот во експериментот се однесува како честичка (со други зборови, ако не е во суперпозиција), тогаш има 50-50 шанси да помине низ или да се рефлектира и да бидат откриени од едниот или другиот детектор. Но, тоа е можно само ако бомбата е во живо. Ако бомбата го „набљудувала“ фотонот, таа го активирала и уништила фотонот на долната патека, затоа фотонот што го зазема горниот пат ќе биде детектиран, или кај детекторот Ц или кај детекторот Д.

 Дел 4: Детектори Ц и Д. 
десно|мини| Слика 7: Ако бомбата е во живо, а фотонот го зазема горниот пат, нема шанси да се меша во второто полусребрено огледало, и така, како што беше случајот на првиот, има еднаква шанса да рефлектира надвор од него или минување низ него и пристигнување до детекторот Ц или Д. Ова е единствениот начин на кој може да стигне до Д, што означува жива (неексплодирана) бомба.
Детекторот Д е клучот за да се потврди дека бомбата е жива.

Двата детектори и второто полусребрено огледало се прецизно порамнети едни со други. Детекторот Ц е поставен да ја открие честичката ако бомбата е тапа и честичката ги минала двате патеки во својата суперпозиција, а потоа конструктивно интерферирала сама со себе. Детекторот Д е поставен да открива фотон само во случај на деструктивна интерференција - невозможност (види слика 6). Со други зборови, ако фотонот е во суперпозиција во моментот кога ќе пристигне во второто полусребрено огледало, тој секогаш ќе пристигне кај детекторот Ц, а никогаш кај детекторот Д.

Ако бомбата е жива, има 50/50 шанси фотонот да го заземе горниот пат. Ако „фактички“ го стори тоа, тогаш „контра фактички“ тргна по долната патека (види слика 7). Тој контра-фактички настан го уништил тој фотон и го оставил само фотонот на горната патека да пристигне до второто полусребрено огледало. Во кој момент, повторно, ќе има 50/50 шанса да помине низ него или да се рефлектира од него, и, последователно, ќе биде откриен на кој било од двата детектори со иста веројатност. Ова е она што овозможува експериментот да потврди дека бомбата е жива, без всушност да ја експлодира. 

 Резултати 
Со жива бомба, може да има три можни исходи:

 Не е откриен фотон (50% шанса).
 Фотонот е откриен во C (25% шанси).
 Фотонот е откриен при Д (25% шанси).

Овие одговараат на следниве услови на тестирање на бомбата:

 Не бил откриен фотон : Бомбата експлодирала и го уништила фотонот пред да можело да биде откриен. Тоа е затоа што фотонот всушност тргнал по долната патека и ја активирал бомбата, уништувајќи се во тој процес. Постои 50% веројатност дека ова ќе биде исходот ако бомбата е жива.
 Фотонот е откриен на Ц : Ова секогаш ќе биде исходот ако бомбата е тапа, сепак, има 25% веројатност дека ова ќе биде резултат ако бомбата е жива. Ако бомбата е тапа, тоа е затоа што фотонот останал во својата суперпозиција сè додека не стигнал до второто полусребрено огледало и конструктивно се интерферирал со себе. Ако бомбата е жива, тоа е затоа што фотонот всушност го заземал горниот пат и се рефлектирал од второто полусребрено огледало.
 Фотонот е откриен кај Д : Бомбата е жива, но не е експлодирана. Тоа е затоа што фотонот всушност ја зазел горната патека и поминал низ второто полусребрено огледало, нешто можно само затоа што немало фотон од долната патека со кој може да интерферира. Ова е единствениот начин на кој некогаш фотонот може да се открие кај Д. Ако е овој исход, експериментот успешно потврди дека бомбата е жива и покрај фактот што фотонот никогаш „фактички“ не наиде на самата бомба. Постои 25% веројатност дека ова ќе биде исходот доколку бомбата е жива. 

(Забелешка: Дијаграмот и објаснувањето на Слика 7, за жал, ги менува позициите на детекторите C и D во однос на дијаграмот на горниот дел од страницата. Објаснувањето во овој дел се однесува на почетниот дијаграм на горниот дел од оваа страница. )

Ако резултатот е 2, експериментот се повторува. Ако фотонот продолжи да се набудува кај Ц и бомбата да не експлодира, на крајот може да се заклучи дека бомбата е тапа. 

Со овој процес може да се идентификуваат 25% од живите бомби без да бидат активирани, 50% ќе бидат активирани, а 25% остануваат неизвесни.  Со повторување на процесот со неизвесните, односот на идентификувани не-детонирани живи бомби се приближува до 33% од почетната популација на бомби. види  подолу за изменет експеримент што може да ги идентификува живите бомби со стапка на принос што се приближува до 100%.

 Толкувања 
Авторите наведуваат дека можноста да се добијат информации за функционалноста на бомбата без никогаш да се „допре“ се чини дека е парадокс. Тоа, тврдат тие, се заснова на претпоставката дека има само единствен „вистински“ резултат.  Но, според повеќе-световното толкување, секоја можна состојба на суперпозиција на честичката е реална. Затоа, авторите тврдат дека честичката навистина е во интеракција со бомбата и таа експлодира, само не во нашиот „свет“. 

Жан Брикмонт понуди интерпретација Елизур-Вајдмановиот тестер за бомби во услови на Бохемиската механика. Исто така, се тврди дека тестот за бомба може да биде конструиран во рамките на  Спекенс моделот на играчки, што сугерира дека тоа е помалку драматична илустрација на некласичност од другите квантни појави, како што е кршењето на нееднаквостите на Бел.

 Експерименти 
Во 1994 година, Антон Цајлингер, Пол Квјат, Харалд Вајнфуртер и Томас Херцог изведле еквивалент на горенаведениот експеримент, докажувајќи дека мерењата без интеракција се навистина можни. 

Во 1996 година, Квјат и др. смислил метод, користејќи низа уреди за поларизација, што ефикасно ја зголемува стапката на принос на ниво произволно близу до едно. Клучната идеја е да се подели дел од фотонскиот зрак во голем број зраци со многу мала амплитуда и да се рефлектираат сите од огледалото, рекомбинирајќи  гипотоа со оригиналниот зрак   Исто така, може да се тврди дека оваа ревидирана конструкција е едноставно еквивалентна на резонантна празнина и резултатот изгледа многу помалку шокантно  на овој јазик; види Ватанабе и Инуе (2000).

Во 2016 година, Карстен Робенс, Волфганг Алт, Клајв Емари, Дитер Мескеде и Андреа Алберти  демонстрираа дека Елизур-Вајдмановиот експеримент за тестирање бомби може да се препрочитува во ригорозен тест на макро-реалистичкиот светоглед заснован на кршење на Легет - Гарг нееднаквоста со употреба на идеални негативни мерења. Во нивниот експеримент тие го изведуваат тестот за бомба со еден атом заробен во синтетизирачка-поларизирана оптичка решетка. Оваа оптичка решетка овозможува мерења без интеракција со заплеткување на вртењето и положбата на атомите.

 Поврзано 

 Контрафактична определеност
 Експеримент со негативен резултат на Ренингер

 Користена литература 



 З. Бланко-Гарсија и О.Росас-Ортиз, Без интеракција Мерења на оптички полутранспарентни објекти, Ј. Физик: Конф. Сер 698: 012013, 2016 година
 A. Peruzzo, P. Shadbolt, N. Brunner, S. Popescu and JL O'Brien, A Quantum Delayed-Choice Experiment, Science 338: 634–637, 2012
 Ф. Кајзер, Т. Куудро, П. Милман, ДБ Островски и С. Танзили, Наука за експеримент со одложен избор за заплеткување 338: 637–640, 2012

 Белешки 

 Дополнителна литература 

 Пенроуз, Р. (2004). Патот до реалноста: Комплетен водич за законите на физиката. Jonонатан Кејп, Лондон.


Категорија:Толкувања на квантната механика
Категорија:Квантна механика