Физики из Университета Портланда поставили эксперимент, в котором поляризация фотона может измеряться отдельно от самой частицы. Ученые называют этот эффект квантовым Чеширским котом по аналогии со сценой из классического произведения Льюиса Кэролла. Исследование опубликовано в журнале Physical Review A (препринт), кратко о нем сообщает Physics.
Главной частью экспериментальной установки является интерферометр с регулируемой длиной оптических плеч. Физики направляли на светоделитель один за другим одиночные фотоны, которые, благодаря квантовой природе света, перемещались одновременно по обоим оптическим плечам. Частицы двигались по кольцевым траекториям, возвращаясь к светоделителю и объединяясь на нем. После этого фотоны направлялись к детектору одиночных фотонов.
На пути фотона, проходившего круг оптического плеча против часовой стрелки располагали прибор, изменяющий его поляризацию с горизонтальной на вертикальную. К тому же в обоих плечах были дополнительные устройства, изменявшие поляризацию на небольшой угол. Для того, чтобы выяснить свойства кванта света авторы использовали стратегию слабых измерений. Такой тип измерений не позволяет узнать точное состояние одиночного фотона, но допускает измерение среднего значения некоторой величины для большого количества фотонов.
К примеру, чтобы выяснить, присутствует ли фотон в пути по часовой стрелке, на его пути ученые ставили стеклянную пластинку, наклоненную под углом Брюстера. Она отсекает из потока фотоны с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения света — те отражаются и покидают прибор. В результате количество событий, пойманных детектором на выходе из интерферометра было меньше. Другое слабое измерение физики производили с помощью поляризаторов, поворачивающих луч света на небольшой угол. Оно позволяло «почувствовать» поляризацию фотонов и также влияло на количество событий, фиксируемых детектором.
Главной частью эксперимента были одновременные слабые измерения поляризации и присутствия фотонов в разных плечах. Когда измерения присутствия (с помощью закона Брюстера) проводились в плече с вертикальной поляризацией, интерференционная картина (количество зафиксированных событий в зависимости от разности длины плеч) ничем не отличалась от обычной картины слабых измерений поляризации. Однако при смене плеч местами картина резко поменялась по сравнению с простым измерением поляризации. По словам авторов, это указывает на то, что присутствие частицы и ее поляризация были измерены одновременно, но в разных плечах интерферометра.
Парадокс этого эксперимента заключается в том, что формально определив присутствие частицы в плече, расположенном по часовой стрелке, мы автоматически запрещаем частице находиться в плече, расположенном против часовой стрелки (с вертикальной поляризацией). Но несмотря на это, мы все равно можем ощутить поляризацию этой частицы. Таким образом фотон-«кот» оказывается в одной точке пространства, а поляризация-«улыбка» в другом.
Это не первый эксперимент подобного рода. Впервые состояние квантового Чеширского кота реализовали в 2014 году на потоках нейтронов в магнитном поле. Вслед за ним, в 2015 году, физики создали фотонного Чеширского кота, который, впрочем, описывался в рамках классической физики. Новая работа впервые показывает квантового Чеширского кота на одиночных фотонах.
Владимир Королёв