¿Pueden los fotones individuales hacer un holograma con el tiempo?

La respuesta es "sí", un holograma se puede hacer un fotón a la vez. El experimento se ha hecho. Por supuesto que es un proceso muy lento. El primer experimento de este tipo sobre el que leí utilizó una emulsión fotográfica para capturar la imagen durante un largo período de tiempo. Se utilizó una configuración estándar de grabación de hologramas en 3D. El rayo láser se atenuó hasta que un promedio de menos de un fotón pudo estar en la configuración holográfica a la vez, y una emulsión fotográfica registró la ubicación de cada fotón en el plano de grabación del holograma. (Estoy buscando el documento y publicaré un enlace cuando lo encuentre).

Los modernos detectores de conteo de fotones lo hacen un poco más fácil; y en los últimos años se han desarrollado algunos emisores de fotón único bajo demanda. Algunas palabras clave que podría usar en una búsqueda en Google son "holografía de fotón único" y "holografía de conteo de fotones".

Sin embargo, aquí es donde entra en juego la rareza de la mecánica cuántica: para que se registre un holograma, para cada fotón en la grabación debe ser imposible saber o incluso averiguar qué camino tomó el fotón (el camino del objeto o el camino). ruta de referencia). Si se hace algo para controlar o determinar qué camino toma cada fotón, no habrá patrón de interferencia. Por lo tanto, si voltea un espejo muy rápidamente para dirigir fotones individuales a lo largo de la ruta de referencia o del objeto alternativamente (en lugar de usar un divisor de haz, por ejemplo), entonces no podría formar un holograma porque sería posible saber qué camino tomó cada fotón registrado. detectando su hora de llegada.

Entonces, la respuesta a la pregunta es un "sí" calificado: mientras no haya forma de saber qué camino toma cada fotón, entonces sí, se formará un holograma. La pregunta es realmente muy buena, porque una respuesta completa necesitaría explorar algunos temas fascinantes como qué es un fotón (no la respuesta simple de que es un paquete de energía electromagnética), cómo funciona la " imagen basada en EPR ", e incluso este extraño papel .

Si la pregunta se modifica para permitir que cada fotón "decida por sí mismo" si tomar la ruta del objeto, la ruta de referencia o ambas, y para rechazar cualquier cosa que le permita saber qué ruta tomó, entonces la pregunta todavía tiene algo de contenido interesante. ¿Qué pasa si la ruta de referencia es mucho más larga que la ruta de referencia, por lo que "sabemos" que cualquier interferencia que ocurra es entre "algo" que se emitió en diferentes momentos?

Bueno, resulta que la coherencia de, por ejemplo, un láser de helio-neón no es solo unas pocas pulgadas de longitud de coherencia descrita en la mayoría de las especificaciones. De hecho, la coherencia es periódica. Durante unas pocas pulgadas antes y después de múltiplos enteros de la longitud de la cavidad del láser (normalmente del orden de unos pocos pies), la coherencia vuelve. Así que los fotones emitidos ahora están claramente en sintonía con los fotones emitidos en intervalos de tiempo determinados por la longitud de la cavidad del láser. Si el objeto y los haces de referencia difieren en la longitud de la trayectoria en 3, 6 o 10 veces la longitud de la cavidad, más o menos una cantidad menor que la longitud de coherencia calculada tradicionalmente, aún es posible grabar un holograma. En efecto, cada fotón se distribuye a lo largo de una distancia de metros y durante un período de tiempo correspondiente.

Por lo tanto, puede ser muy difícil, incluso cuando un rayo láser se ha atenuado lo suficiente como para que los cálculos típicos nos digan que solo hay un fotón en la configuración a la vez, para estar seguros de que las funciones de onda de cientos de fotones no están presentes en la configuración simultáneamente.

Si toma un holograma ya grabado en una película, pasa fotones individuales a la vez y acumula los resultados en la película, es decir, coloca una película donde se forma el holograma en el espacio, el patrón grabado en la película será el mismo para fotones individuales a la vez. tiempo, o un rayo que brilla a través de trillones a la vez. Será un registro bidimensional, conceptualmente similar al patrón de interferencia de la doble rendija con fotones individuales a la vez.

Los fotones individuales que rebotan en un objeto no pueden formar un holograma. Esto se debe a que para obtener un holograma se deben fijar las fases de los fotones que componen el haz de luz. Hay una gran función de onda con trillones de fotones donde las fases se registran en el holograma. Cuando se dispersa el objeto para generar el holograma, las fases se retienen con la información adicional proveniente de la dispersión del objeto. Hay coherencia.

Un solo fotón no puede tener una fase fija con un fotón individual posterior siguiéndolo después de dispersarse en el objeto. La fase entre ellos se pierde por el requisito "único".

El holograma ya registrado tiene la información de fase inscrita, por lo que un fotón que se dispersa a través de él sigue la función de onda que construyó el holograma.

Editar después de los comentarios .

Cada fotón tiene su propia función de onda.

Tenga en cuenta la parte imaginaria. Todas estas funciones de onda superpuestas forman la onda electromagnética clásica, formando los campos E y B reales de la onda por el total$Ψ^*Ψ$del haz Al considerar los fotones, las fases se encuentran entre las funciones de onda de los fotones individuales. En un rayo láser, las fases son fijas y, cuando se dispersan por un objeto, las absorciones y reflexiones de los fotones individuales están en sintonía y pueden grabarse en el medio de la película, dando un filtro (trillones de "dos rendijas") que reproducirán la imagen como un holograma

Por lo tanto, las fases no deben perderse para que un holograma se registre correctamente. Luego depende de si, cuando se produce un fotón a la vez, el proceso de láser es coherente en el intervalo de tiempo, de modo que el tiempo entre los impactos no hace ninguna diferencia. En mi opinión, habrá diferencias introducidas por el contexto como se discute en la respuesta aquí, sobre la coherencia de fotones individuales.

Esta es una decoherencia cuántica genuina (del estado de luz) y es difícil decir cuál será exactamente el resultado experimental. Si todo el kit experimental es genuinamente invariable en el tiempo, de modo que las probabilidades de cada estado puro en la mezcla sean constantes, entonces la respuesta a su pregunta será exactamente la misma que cuando hablamos sobre la dispersión espectral de energía en estados cuánticos puros: las probabilidades de eventos de detección únicos en niveles de luz bajos reflejarán con precisión las intensidades de niveles de luz altos. Pero en la práctica esta invariancia temporal es muy difícil de lograr. Descubrirá que la noción de longitud de coherencia es muy, muy difícil de medir rigurosamente, porque el resultado dependerá en gran medida de los tiempos de integración, las respuestas de frecuencia, las áreas superficiales, etc., en sus detectores y procesamiento electrónico. Tú'

Entonces, mi respuesta refleja la última parte anterior, que en general se perderá la coherencia en la etapa de un fotón. Un experimento mostraría los límites para crear un holograma fotón a fotón.