Как фотон раздваивается: опыт с одной частицей ✛ ✎ ✦

Оригинал: "Experimental evidence for the physical delocalization of individual photons in an interferometer"
arXiv:2505.00336v2 · 2025-05-01 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 1 мин
Одиночный фотон может находиться в двух местах одновременно, а его положение определяет лишь будущее измерение.

Фотон напоминает бегуна, который на развилке бежит сразу по двум дорожкам. Сто лет назад Нильс Бор считал, что выяснить точный путь и одновременно увидеть волновую картину невозможно — как разглядеть лицо и затылок человека. Новый эксперимент показывает: бегун не прячет путь, а находится в суперпозиции, размазанный по всем тропам.

Учёные запустили одиночный фотон на полупрозрачное зеркало, и он раздвоился. На каждой дорожке его слегка «дунули» — внесли крошечный поворот свойства света, почти не нарушающий квантового состояния. Затем измерили, куда он пришёл.

Это малое дуновение сработало как лупа, усилив разницу между путями в десятки раз.

Результат ошеломляет: способ измерения на финише задним числом определил, где бежал фотон. В одном случае он присутствовал на обеих дорожках поровну — истинная двойственность. В другом — на одной из дорожек его вес был отрицательным, словно он «задолжал» вселенной пробежку. Сам процесс измерения решает прошлое. Эти опыты из квантовой оптики проливают свет на декогеренцию, соотношение неопределённостей, хранение квантовой информации и загадку коллапса волновой функции.

Чем меньше шанс зарегистрировать фотон в одном выходе, тем сильнее он размазан по путям — в теории до бесконечности. В опыте усиление достигло почти 50 раз, словно лёгкое дуновение превратилось в ураган.

\hat{A} = |1\rangle\langle 1| - |2\rangle\langle 2|
Определяет, в каком плече находится фотон. В состоянии суперпозиции среднее значение равно нулю — фотон поровну распределён между возможностями.
A^2(\pm) = \frac{1 - P(\pm)}{P(\pm)}
Позволяет по частоте срабатываний судить о степени делокализации. Когда порт «гасится» интерференцией (P мало), A² резко возрастает — возникает сверхлокализация с отрицательным вкладом одного из путей.
Учёные
John Archibald WheelerNiels BohrPhilippe GrangierDavid DeutschErwin SchrödingerJohn Stewart Bell
Понятия
детектирование одиночных фотонов счёт фотонов измерение поляризации интерферометрия фотоэлектрон лазерный интерферометр магнитофотонные эффекты фотодетектор рассеяние света фотонная интегральная схема поляриметрия с нейронными сетями поляризованный свет молекулярная интерферометрия поляриметрия поляризуемость фотолюминесценция чистота интерполяция нелокальность поляритон