Experimento de doble rendija: ¿cómo se aseguran los científicos de que solo haya un fotón?

Muchos documentales sobre el experimento de la doble rendija afirman que solo envían un único fotón a través de la rendija. ¿Cómo se logra eso y realmente se puede asegurar que es un solo fotón?

@Qmechanic Creo que esta es una pregunta diferente. Esta pregunta es más sobre el diseño experimental, por lo que puedo decir, en lugar de alguna dificultad conceptual con lo que le sucede a un solo fotón que se dispara.
Etiqueta agregada de acuerdo con la opinión de @joshphysics sobre la pregunta.
@joshphysics Es por eso que Qmechanic dijo "relacionado" y no "posible duplicado"
@TobiasKienzler Podría haber jurado que originalmente era un comentario de "posible duplicado", pero también podría estar volviendo loco.
Problema de comentario discutido en esta meta publicación: meta.physics.stackexchange.com/q/4894/2451
@joshphysics Eso probablemente sucedió mientras observabas algo más: eso es Mecánica cuántica para ti: P

Respuestas (4)

Puntos cuánticos. materiales semiconductores a nanoescala que pueden confinar fotones en 3 dimensiones y liberarlos un tiempo medible después. Basándose en el material utilizado, el tiempo de descomposición se conoce empíricamente. También se conoce la frecuencia. este último es suficiente para calcular la energía de un fotón. El primero es entonces suficiente para calcular la tasa de reemisión de fotones del QD. Si los picos en el detector están más separados que el tiempo de decaimiento y cada pico se puede medir con el valor de energía de un fotón, entonces sabrá que tiene un haz de fotones individuales.

Estoy seguro de que esto funcionará, pero dudo que alguien se moleste.
El experimento de la doble rendija se realizó hace más de un siglo, entonces no había nanotecnología. Entonces, ¿cómo crees que la gente se aseguró de que solo un fotón estuviera involucrado en el experimento, además de deducir la existencia de la luz como cuantos mediante la observación de los experimentos?
@user1800 El experimento de doble rendija con fotones individuales se realizó por primera vez en... 1986 , en un experimento pionero de Aspect, Grangier y Roger, consulte dx.doi.org/10.1209/0295-5075/1/4/004 especialmente Fig .4, que muestra la apariencia de la franja para un gran número de conteos de fotones. La respuesta de gregsan es una versión moderna del efecto de cascada de fotones que Aspect y Grangier usaron en los años 80 para fotones bajo demanda. El estudio de semiconductores de puntos cuánticos sigue siendo un campo activo de investigación también para fotones únicos bajo demanda.
@gregsan Para comentar más sobre el experimento Aspect / Grangier / Roger citado anteriormente junto con la pregunta que hizo Felicitus: están seguros de que solo tienen un fotón porque tienen dos detectores (fotodiodo de avalancha) que nunca hacen clic al mismo tiempo. Dicho de otra manera, cuando hacen clic juntos al mismo tiempo, puede descartar el conteo de forma controlable. Gracias por esta interesante respuesta.
De hecho, este ha sido nuestro método de elección. Hemos estado trabajando particularmente con CdS QDs. La gran ventaja es la capacidad de hacer crecer los QD a cualquier tamaño arbitrario y, por lo tanto, ajustar la frecuencia de fotones como se desee.

En el experimento de la doble rendija, si disminuye gradualmente la amplitud de la luz de salida, verá una transición de una franja brillante y oscura continua en la pantalla a un solo punto a la vez. Si puede medir los puntos con mucha precisión, siempre verá que hay uno y solo uno allí. Es la prueba de la existencia de la unidad más pequeña de cada medida que se llama fotón único: obtienes un solo punto brillante o no.

Entonces, probablemente te preguntes por qué no es un solo fotón compuesto de dos "subfotones", cada uno de ellos pasando por la rendija por separado y luego interfiriendo con "sí mismo" en la pantalla para que solo obtengamos un punto. Sin embargo, ocurre lo mismo para tres rendijas, cuatro rendijas, etc... pero el resultado final sigue siendo un solo punto. Significa que el fotón debe poder dividirse en infinitos "subfotones". Si llegas a este punto, felicidades, básicamente descubres el formalismo de la integral de trayectoria de la mecánica cuántica.

Elegí esta respuesta porque me lo explica mejor que la mejor calificada; pero gracias a todos por responder. No soy físico, por lo que una explicación simple como esta es más clara para mí que las fórmulas. ¡Gracias!

La respuesta práctica (que también escribí en un comentario sobre la pregunta vinculada) es que baja la intensidad de la fuente de luz hasta que el valor esperado para la cantidad de fotones en la ruta óptica sea lo suficientemente bajo como para usted.

Si norte ¯ = 0.1 entonces, muy pocos de los eventos que se registran en la pantalla provendrán de eventos en los que estuvo presente más de un fotón en el camino óptico y los datos estarán dominados por eventos de un solo fotón.

¿No es suficientemente bueno para ti? Bájalo hasta que norte ¯ = 0.01 . O 0.001 o lo que te convenga.

En algún momento el ejercicio se vuelve tonto.

Desafortunadamente, esta respuesta es incorrecta. Apagar la intensidad no significa que esté trabajando con el estado propio de fotones del campo de luz. El estado coherente con un número medio de fotones no es un estado de fotón de Fock. Para llegar al efecto de un solo fotón, se necesita la interacción entre materia y luz, como muestran claramente los experimentos de Aspect/Grangier y Haroche/Raymond/Brune. El primer equipo usa el efecto de cascada de fotones, el segundo usa la relación de conmutación flujo-número en campo cuasi-clásico (coherente) y materia (Rydberg).
@Oaoa Ese no es material con el que esté familiarizado, pero encontré lo que parecen ser las diapositivas de una presentación de la escuela de verano de posgrado sobre el tema de Haroche , y parece decir (lección 1, diapositiva 11) que para un estado coherente , la distribución de estados fock es Poisson, en cuyo caso un número de ocupación medio muy bajo implica que los datos están dominados por el estado fock de un solo fotón, que es lo que dije. Claro, hay algo de contaminación, pero simplemente baja la intensidad hasta que esté satisfecho con los resultados.
Muchas gracias por el material que compartiste. También estoy siempre desconcertado con este problema. Permítanme tratar de mí un poco más claro. Para mí, un único fotón es un paquete de ondas. Reducir (usando un filtro de lo que sea) la intensidad del campo coherente (láser, por ejemplo) nunca producirá un paquete de ondas: en su lugar, siempre encontrará un campo continuo en el tiempo, a una intensidad bastante baja. Tal vez este es un punto de vista demasiado ingenuo. Nunca escuché sobre un experimento con baja intensidad que resulte en un estado de fotón discreto. El argumento de Haroche es perfectamente correcto: baja ocupación significa 0 o 1 fotón dominante (...)
(...) pero el estado de 0 fotones es un estado coherente (quizás el estado coherente más fácil de hacer), y el estado de 1 fotón ya está en la cola de la distribución de Poisson. Problema realmente desconcertante. Por supuesto, el esquema de detección que está utilizando también es de suma importancia: debe detectar energía de un fotón por unidad de tiempo, por ejemplo. Mi comprensión de los experimentos de Haroche/Brune/Raimond es que necesitas un átomo para hacer un estado de Fock. Comienzas desde un campo térmico y la interacción átomo-luz selecciona el modo Fock. El átomo actúa claramente como un reloj extremadamente preciso, obligatorio para el experimento.
@Oaoa Creo que la diferencia es que no me preocupa poder mostrar que un recuento en particular proviene de un evento de un solo fotón, solo estoy seguro de que el patrón que veo está dominado por ellos. Ese tipo de cosas no sirven para la computación cuántica o las mediciones de entrelazamiento. O tal vez simplemente no entiendo el argumento. Como dije, estoy un poco fuera de mi alcance con esas cosas.

Me gustaría agregar a la respuesta de gregsan sobre el uso de puntos cuánticos elevando también fuentes de fotones de nanocables de diamante o dispositivos similares hechos en guías de onda de diamante cultivadas por CVD en experimentos contemporáneos o futuros ; por supuesto, este método no se usó en el histórico. ¡experimentos con fotones!. Ver:

Mark P. Hiscocks, Kumaravelu Ganesan, Brant C. Gibson, Shane T. Huntington, François Ladouceur y Steven Prawer, "Guías de ondas de diamante fabricadas mediante grabado de iones reactivos", Optics Express, 16 , Número 24, págs. 19512-19519 (2008 ) http://dx.doi.org/10.1364/OE.16.019512

Este se puede descargar libremente, y debo declarar mi estrecho contacto con varios de los autores, aunque no formé parte de este trabajo.

Thomas M. Babinec, Birgit JM Hausmann, Mughees Khan, Yinan Zhang, Jeronimo R. Maze, Philip R. Hemmer y Marko Lončar, "Una fuente de fotón único de nanocables de diamante", Nature Nanotechnology 5 , 195 - 199 (2010)

Este es de pago, pero independiente de mí.

Estos dispositivos podrían encontrar usos experimentales en experimentos de un fotón más sofisticados tanto ahora como en el futuro porque uno puede activarlos para que emitan fotones solitarios casi a pedido, mientras que las fuentes de luz atenuada simplemente emiten fotones aleatoriamente siguiendo un proceso de Poisson y no pueden activarse. He escuchado varias veces la opinión de varios experimentadores muy brillantes (mucho más brillantes que yo) de que "nadie se molestaría", pero no puedo quitarme la sensación de que la activación podría ser útil en lo que aún no se ha pensado. experimentos: me llamaría un experimentalista pésimo, pero una vez pude manejar un osciloscopio analógico bastante bien y el disparo es sin duda lo que hace que un equipo útil sea diez veces más útil.

Así es como funciona la fuente de un fotón de guía de ondas de diamante. Uno establece una guía de ondas de diamante por deposición de vapor químico y da forma al entorno circundante mediante grabado de iones reactivos. Luego, se incluye una cantidad altamente controlada de nitrógeno en la red de diamante. Un átomo de nitrógeno normalmente solo forma tres enlaces covalentes con sus vecinos, mientras que el carbono normalmente forma cuatro, por lo que uno se queda con átomos de carbono con un enlace covalente que forma un electrón "colgando" en la red donde haya un nitrógeno incluido. Este "electrón colgante" es entonces un fluoróforo. Uno controla la concentración de nitrógeno con cuidado y corta las guías de ondas para que haya exactamente un centro de fluoróforo en cada dispositivo de guía de ondas: puede hacer esto construyendo muchos dispositivos a la vez, luego probando cada uno y descartando cualquiera con ninguno o más de un fluoróforo. Entonces, el dispositivo de guía de ondas se puede acoplar fácilmente a una fibra óptica monomodo que conecta el dispositivo con el mundo exterior. La diferencia de índice de refracción extremadamente alta entre el diamante y el aire (diamante norte = 2.4 ) y la capacidad de construir guías de ondas por debajo de las dimensiones de la longitud de onda significa que podemos hacer "nanocables", que son de modo único, pero también sus fuertes propiedades de guía de ondas significan que existe una probabilidad casi unitaria para el fotón fluorescente del electrón colgante en el modo único guía de ondas Así que ahora tenemos algo que se conecta muy fácilmente a otro kit experimental y no necesita alineación.

Cuando llega el momento de usar el dispositivo, una señal de activación hace que un láser de bomba óptica en el dispositivo impulse el dispositivo con un haz de luz intenso, de modo que el fluoróforo solitario en el dispositivo es casi seguro que se eleva a su estado metaestable. Al mismo tiempo, un interruptor óptico de muy alto rendimiento controla la salida óptica del dispositivo para que ninguna luz escape al mundo exterior. Una vez que el pulso de bombeo ha disminuido, la puerta óptica de salida se abre y el fluoróforo se relaja poco tiempo después; el tiempo de vida de la fluorescencia es de unos pocos nanosegundos. Aunque esta fluorescencia se rige por una distribución de probabilidad exponencial de tiempo hasta la emisión, de modo que, estrictamente hablando, es estocástica al igual que las fuentes de luz atenuadas tradicionales, el proceso de activación significa que se puede controlar el tiempo de emisión de fotones en unos pocos nanosegundos. .

Además, la probabilidad de acoplamiento de fotones casi unitaria en el sistema de guía de ondas monomodo significa que existe una probabilidad de acoplamiento extremadamente baja para que se acoplen los fotones externos incoherentes con el modo de guía de ondas. Por lo tanto, este sistema es extremadamente inmune a la luz parásita, aunque los experimentos de un fotón son hecho: la exposición del sistema de guía de ondas a los niveles normales de luz de la habitación significa que casi no entran fotones, y eso es antes de que uno ennegrezca el sistema o lo coloque en una caja. No hay contaminación en este dispositivo en manos incluso del experimentador más torpe.

La motivación original y principal para estos dispositivos no son los experimentos de doble rendija de un fotón, sino más bien como fuentes para protocolos de criptografía cuántica como el protocolo de distribución de claves cuánticas de Bennett y Brassard (BB84) .

Sospecho que las fuentes de fotones individuales desencadenadas interesarán a la gente. Quizá les interese mucho . Y si se convierten en dispositivos comunes listos para usar listos para usar , se utilizarán para demostraciones básicas de interferencia, pero hasta ahora estas fuentes están muy lejos de ser fáciles de usar y la gente solo las pondrá en marcha para las cosas que importan .
@dmckee Por desgracia, tiene razón en que están muy lejos, debido principalmente a la difícil búsqueda de financiación.
Experimento de doble rendija: ¿cómo se aseguran los científicos de que solo haya un fotón?
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