Экспериментальные доказательства физической делокализации отдельных фотонов в интерферометре
Природа квантовых частиц долгое время ставила ученых в тупик. Хотя интерференция отдельных частиц предполагает, что фотон может вести себя как рассеянная волна, целый фотон всегда обнаруживается только в одном конкретном месте. Традиционные интерпретации квантовой механики часто объясняют это предположением о том, что частица находится в суперпозиции, будучи одновременно и здесь, и там. Однако это говорит нам только о том, где находится частица в момент измерения, а не о том, где она физически находится, когда детектор отсутствует. Исследовательская группа под руководством Хольгера Ф. Хофмана, профессора Высшей школы передовых наук и инженерии Хиросимского университета, разработала метод измерения этой делокализации без нарушения волнообразной траектории фотона. Работа опубликованном в журнале New Journal of Physics.
Рис. 1. Метод наблюдения делокализации фотонов. Вертикально поляризованные фотоны вводятся в двухканальный интерферометр (BS). HWP1 поворачивает поляризацию фотона на небольшой угол (+θ), а HWP2 поворачивает поляризацию фотона в противоположном направлении на тот же угол (-θ). Все локализованные фотоны переворачиваются с одинаковой вероятностью, P(H|1) = P(H|2). При наблюдении интерференции вероятности переворота поляризации P(H|±), наблюдаемые на выходных портах, изменяются, причем более низкие вероятности переворота указывают на то, что локальные повороты могут компенсировать друг друга. Таким образом, вероятности переворота P(H|±) предоставляют прямое доказательство делокализации фотонов внутри интерферометра. Источник: New Journal of Physics (2026). DOI: 10.1088/1367-2630/ae51b7
Учёные применили модификацию хорошо известного метода "слабых измерений" к двухпутевому интерферометру. По мере распространения фотона они совершали небольшое вращение на положительный угол в одном пути и на отрицательный угол в другом. Если два пути интерферируют на выходе, средний угол вращения всегда равен нулю. Однако это лишь статистическое среднее. Чтобы определить изменение углов для отдельных фотонов, была изучена скорость квантовых скачков к ортогональным поляризациям. Скорость этих скачков зависит от квадрата угла поворота, и это квадратичное значение может показать, двигались ли фотоны только по одному пути или нет.
Рис. 2. Скорость квантовых скачков в двух направлениях вывода интерферометра определяет делокализацию фотонов. Фазонезависимые данные были получены путем детектирования фотонов только по одному пути и показывают результат для локализованных фотонов. Источник: New Journal of Physics (2026). DOI: 10.1088/1367-2630/ae51b7
Согласно классической физике, отдельная частица — это твердый объект, который может находиться только в одном месте одновременно. Следовательно, она должна была находиться либо на пути А (+1), либо на пути В (-1). В обоих случаях возведение этого числа в квадрат дает значение 1. Однако экспериментальные данные показали значения, которые не соответствуют этой модели «или/или». Результаты показали, что физическое присутствие фотона распределялось одновременно по обоим путям, демонстрируя, что частица действительно делокализована до тех пор, пока детектор не заставит ее находиться в одном месте.
Полученные результаты имеют важное значение для высокотехнологичных датчиков (GPS, атомные часах, связь в дальнем космосе).
