Tiene toda la razón al centrarse en el aspecto de detección. Puede que te sorprenda que la comunidad física estaba convencida de la existencia del fotón desde principios de los años 20 después del experimento de Compton, pero tuvimos que esperar hasta los años 70 para que un solo fotón fuera realmente "visto". Entonces, ¿cómo podemos demostrar que tenemos un único fotón?

Un fotón no se puede dividir.

El truco consiste en utilizar un divisor de haz, es decir, un espejo medio plateado. Una onda de luz clásica que incide sobre el espejo verá reflejada la mitad de su intensidad y transmitida la otra mitad. La definición misma de un fotón es que no se puede dividir. Por lo tanto, un solo fotón se reflejará o se transmitirá, pero nunca en ambos sentidos a la vez. Además, para igualar la ley de intensidad, las probabilidades serán 50/50 para los dos caminos. Una configuración experimental se puede esbozar de la siguiente manera.

Los fotodetectores son lo suficientemente rápidos para registrar con precisión el tiempo de detección. Luego, uno traza el número de clics en un detector y el otro en función del retraso.$\tau$entre los clics. Esperamos que la cuenta caiga hacia cero como$\tau$va a cero si realmente tenemos un solo fotón, ya que no puede terminar en ambos detectores a la vez. Por el contrario, como$\tau$aumenta, esperamos ver que este número de clics aumente a medida que la ventana de tiempo sea lo suficientemente grande como para que dos o más fotones sucesivos lleguen a diferentes detectores. Esto es exactamente lo que muestran los experimentos. Aquí hay una trama de [KDM77]

El chapuzón cerca$\tau=0$se llama el efecto anti-agrupamiento. El valor cero no se alcanza porque existe una incertidumbre experimental sobre el retraso, que por lo tanto nunca es realmente cero. Por lo tanto, en efecto, nunca hay un solo fotón en la configuración experimental. Este experimento descarta una teoría de la luz puramente ondulatoria por la razón dada al comienzo de esta respuesta: la imposibilidad de explicar por qué no obtenemos clics coincidentes independientemente del retraso, ya que la mitad de la onda tomaría cada camino y cada mitad golpearía su respectivo fotodetector al mismo tiempo. Por el contrario, el resultado se predice claramente si hay cuantos de luz.

Se debe dar crédito a Clauser [Clau74] por la primera investigación de este tipo de física. El título de ese artículo es en realidad revelador en sí mismo: puede ser una sorpresa, ya que se nos ha dicho ampliamente que Einstein había demostrado la existencia del fotón en ese mismo efecto fotoeléctrico en su famoso artículo de 1905, pero como bien lo explica Clauser en su introducción este no es realmente el caso. En realidad, este tema se ha discutido a fondo en estas preguntas y respuestas de física aquí : vea especialmente la respuesta escrita por @ArnoldNeumaier, pero hay muchos buenos argumentos y referencias en toda la página. Otra ilustración de la triste brecha entre la enseñanza y la popularización de la física por un lado, y la física real por otro lado, pero estoy divagando.

Cabe señalar que los argumentos presentados por este tipo de experimento son, en cierto modo, similares al ejemplo del patrón de difracción construido un fotón a la vez dado en la respuesta de @annav: podríamos decir que el estilo de experimento de Clauser discrimina temporalmente, mientras que la difracción uno a la vez discrimina espacialmente, como en una teoría puramente ondulatoria de la luz, por muy débil que sea la señal entrante en el difractómetro, cierta intensidad alcanzará cada punto de la pantalla.

heraldo

Después de esos experimentos, los investigadores buscaron una manera de asegurarse de que solo un fotón y un fotón estuvieran en el sistema óptico. Era necesaria alguna idea nueva, como puede verse en el siguiente argumento: incluso si el retraso$\tau$se hace tan pequeño que el conteo coincidente en ambos detectores es solo de un fotón, solo sabríamos que hay un fotón en el sistema óptico. En cambio, nos gustaría saber que un fotón va a entrar en el sistema óptico, para que podamos hacer varios experimentos con él. Dos equipos lograron un gran avance en 1986, Hong y Mandel [HM86] por un lado, y Grangier, Roger y Aspect [GRA86] por el otro. Sus experimentos se pueden resumir de la siguiente manera:

• una fuente que produce dos haces de luz (espalda con espalda para Grangier et al, en dos conos concéntricos para Hong et al; los procesos físicos en funcionamiento son completamente diferentes pero no importan al nivel de esta exposición);
• un sistema óptico para enviar un haz a un camino óptico P que termina en un fotodetector A y el otro a un camino óptico diferente Q.

La idea es que si la fuente es en realidad una fuente de pares de fotones tal que cada fotón del par se emite casi al mismo tiempo, entonces la llegada de un fotón en A garantizará que haya un fotón y un fotón solamente en el camino Q. Así, el fotón que llega a A es el "heraldo" del otro, de ahí el nombre de esta técnica, heraldo. Pero ahora, puede decir que volvimos a asumir fotones individuales, pero de hecho ambos equipos realizaron análisis complementarios que apuntan de manera convincente hacia esa conclusión.

Se descarta la teoría ondulatoria clásica.

Grangier et al agregaron un elemento: en el camino Q, pusieron un divisor de haz que enviaba el haz reflejado a un fotodetector B' y el transmitido a otro B'' en una configuración similar al experimento de Clauser anterior. Pero aquí, un golpe en A abre B' y B'' para contar por un corto período de tiempo.$w$de unos 10 nanosegundos (decimos que B' y B'' están controlados por A). Luego realizaron tres conteos: la tasa de aciertos$N$en un,$N'$en B',$N''$en B'', y la tasa de aciertos coincidentes$N_c$en B' y B''.

La predicción de la óptica cuántica en términos de pares de fotones es fácil de ver: como el número de fotones$Nw$golpeando A durante una puerta disminuye hacia 0, el número de fotones que llegan al divisor de haz también disminuirá, hacia 1. Luego, por un razonamiento similar al del experimento de Clauser anterior, concluimos que el número de fotones coincidentes$N_cw$disminuirá hacia 0 mientras que el número de fotones que inciden respectivamente sobre B y B' disminuirá hacia 1.

Por otro lado, Grangier et al consideraron la predicción de la teoría ondulatoria clásica. Se puede demostrar que las tasas deben ajustarse a la siguiente desigualdad:

Así que trazaron la proporción$\alpha$de los dos lados de esta desigualdad

contra el número de visitas$Nw$durante la apertura de la puerta por A. Una descripción mecánica cuántica predice que$\alpha$va a 0 como$Nw$va a 0, como acabamos de explicar. Aquí está su resultado:

La línea punteada es el límite clásico.$\alpha=1$, la curva la predicción mecánica cuántica completa teniendo en cuenta todos los detalles experimentales y las barras las mediciones. Muy claramente, el comportamiento clásico está descartado mientras que el mecánico cuántico está respaldado por datos.

Grangier et al no pudieron concluir más que eso porque sus pares de fotones tenían una distribución de retraso demasiado amplia entre la emisión de cada miembro del par: la mitad de los pares tenían sus fotones emitidos con al menos 5 nanosegundos de diferencia. Hong et al tuvieron que probar realmente que solo tenían un fotón.

Un solo fotón por fin

Lo que hicieron Hong y Mandel es conceptualmente mucho más simple: en su configuración, colocaron un solo fotodetector B en el camino Q. Luego, cuando se activa A, abre una puerta en B durante 20 ns. Luego cuentan el número$m$de golpes en B mientras la puerta está abierta. Después de que muchos repiten, obtienen una distribución por$m$. Siendo pequeña la eficiencia del fotodetector B, para la mayoría de las puertas,$m=0$. Después$m>2$es casi cero. con el numero de veces$m=1$se obtuvo, luego podrían trabajar hacia atrás cuál fue el número de fotones que golpean B cuando se dispara A. Su resultado fue:$1.06\pm10\%$! Su ventaja sobre Grangier et al era que los dos fotones de cada par se emitían en menos de 100 picosegundos, es decir, un factor 10 mejor (lo midieron en otro experimento).

Dónde ir después

Básicamente, solo he respondido a su segunda pregunta sobre cómo asegurarnos de que tengamos fotones individuales. He respondido parcialmente a su primera pregunta, ya que el anuncio se puede usar en la práctica para producir fotones individuales, como se explicó. Pero desde los años 80, han surgido varias técnicas nuevas para producir fotones bajo demanda, muy esquemáticamente, impidiendo que la fuente emita hasta que se realice alguna acción sobre ella. Hay una gran variedad de métodos, basados ​​en átomos, iones o moléculas individuales, en los llamados puntos cuánticos , en los llamados centros de color (en diamantes), etc. Una revisión completa, reciente y relativamente pedestre del campo puede se encuentra en [EFMP11], y le señalaré perezosamente a los lectores, ¡dejando caer la pelota descaradamente aquí!

[Clau74] John F. Clauser. Distinción experimental entre las predicciones cuánticas y clásicas de la teoría de campos para el efecto fotoeléctrico. física Rev. D , 9 :853–860, febrero de 1974 .

[KDM77] HJ Kimble, M. Dagenais y L. Mandel. Antibunching de fotones en fluorescencia de resonancia. física Rev. Lett. , 39 :691–695, septiembre de 1977 , publicación electrónica del autor .

[HM86] CK Hong y L. Mandel. Realización experimental de un estado localizado de un fotón. física Rev. Lett. , 56 :58–60, enero de 1986 .

[GRA86] P. Grangier, G. Roger y A. Aspect. Evidencia experimental de un efecto de anticorrelación de fotones en un divisor de haz: una nueva luz sobre las interferencias de un solo fotón. Europhys. Letón. , 1 (4):173, 1986 , autor eprint .

[EFMP11] MD Eisaman, J. Fan, A. Migdall y SV Polyakov. Artículo de revisión invitado: Fuentes y detectores de un solo fotón. Rev. Sci. instrumento , 82 (7):071101, 2011 , NIST eprint .

Tenga en cuenta que la pregunta planteada pedía la creación de fotones individuales, no su destrucción . Por lo tanto, las discusiones sobre la detección de fotones son irrelevantes para la pregunta formulada.

Hay dos tipos de fotones individuales producidos en el laboratorio: "fotones bajo demanda" (consulte, por ejemplo, la Sección 2.13 de http://lanl.arxiv.org/pdf/0810.1019v2 ), que son verdaderamente únicos y "fotones anunciados". " (ver, por ejemplo, https://arxiv.org/pdf/quant-ph/0408093 ) - pares de fotones entrelazados de los cuales se detecta un compañero, de modo que se sabe (después del tiempo de detección) que el otro compañero ahora está único. Hay muchos artículos que discuten los detalles; las dos referencias dadas son solo la punta de un iceberg. Busca en Google los términos entre comillas para encontrar muchas más referencias....

Este experimento de doble rendija utiliza fotones individuales.

En 2003, A. Weis y R. Wynands de la Universidad de Bonn (Alemania) diseñaron un experimento de demostración de una conferencia sobre la interferencia de un solo fotón de una doble rendija. La luz de un puntero láser estaba tan fuertemente atenuada que en cada instante sólo había un fotón entre la doble rendija y el detector. La luz difractada fue registrada por una cámara de imágenes de un solo fotón que consiste en un intensificador de imágenes (placa multicanal, MCP) seguido de una pantalla de fósforo y una cámara CCD. Al agregar cuadros de cámara consecutivos, se ve la aparición gradual del patrón de interferencia clásico suave

Cada punto es la huella de un solo fotón. El área cubierta por la huella es mucho más pequeña que el área del rayo láser que pasa a través de las dos rendijas (lo que caracteriza al rayo láser clásico) como se ve por su dispersión. Es una huella que se esperaría que dejara una partícula clásica en un plano interactivo. Esto muestra claramente el lado de la partícula de la entidad mecánica cuántica llamada "fotón". El patrón de interferencia acumulada es la distribución de probabilidad mecánica cuántica de detección, así como el patrón de interferencia clásico de un rayo láser.

Este video también es instructivo.] 3

Usted pregunta :

¿Cómo se aseguran las personas de que realmente han creado un único fotón? Excluyendo otras posibilidades de las que podría haber venido la señal y repitiendo el experimento hasta encontrar los parámetros óptimos. En el experimento anterior, reduciendo lentamente la intensidad del rayo láser a "sin señal", a "golpe único".

Editar después de leer las discusiones :

Lo que nadie ha mencionado son los fotones de alta energía. Para su detección y medición de energía y dirección, grandes y sofisticados calorímetros electromagnéticos captan pistas que interactúan en el detector e irradian mucha energía electromagnética, como electrones y fotones. Aquí hay dos fotones, como en esta reconstrucción CMS de eventos a partir de mediciones en el detector.

Evento candidato de Higgs a gamma gamma.

Estos son los dos histogramas verdes después de una línea de puntos extrapolada conectada al vértice del evento. Se identifican como fotones porque no hay señal en los detectores de seguimiento, y de repente se deposita energía electromagnética en el calorímetro electromagnético.

Habiendo construido detectores Cherenkov, he tenido experiencia con fotones individuales: por ejemplo, una mínima partícula ionizante en el aire producirá unos pocos fotones por metro debido al centelleo. Luego se detecta un solo fotón en el tubo fotomultiplicador de Cherenkov como ruido de fondo.