A fény, ami ott sem volt

A kvantumelmélet egy zseniálisan elborult dolog, de van egy aranyszabálya: először ki kell dobni mindent, amit „józan észnek” meg a mindennapi világról gyűjtött tapasztalatnak hívunk. Az atomok, fotonok világa teljesen más szabályok szerint játszik. Erre kiváló példa a most bejelentett, kvantum-összefonódáson alapuló fényképezési kísérlet, amelyet Bécsben dolgozó kutatók végeztek el, és publikáltak a Nature-ben.

g1409945197939054446

A kvantum-összefonódás az elemi részecskéknek talán az egyik leghajmeresztőbb tulajdonsága az összes közül. Összefonódott állapotban nem egyszerűen két részecskével állunk szemben: bizonyos tulajdonságaikat csak együttesen lehet értelmezni. Ha például az egyiket megbolygatjuk, akár a puszta megfigyelésével is, az a másikra is hatással lesz.

 És teljesen mindegy, hogy eközben milyen messze is vannak egymástól.

Ez nem új találmány egyébként, Einsteinék már 1935-ben leírták, hogy ez az új, feltörekvő elmélet, a kvantummechanika, milyen súlyos paradoxont rejt. Azóta azonban kísérletek sorozata bizonyította, hogy az összefonódás igenis létező jelenség. (Az ebből eredő információelméleti kérdésekbe most inkább ne menjünk bele – jelenleg is élénken kutatják a témát.)

A macskás fényképen is az összefonódást használták ki: egy zöld lézer fényét először kettéosztották, majd két, összefonódott, de különböző hullámhosszú fényre bontották. A két rövidebb, mélyvörös hullámhosszú fénynyaláb a „jel”: ezt tudja rögzíteni a kamera. Viszont nem ezek esnek a tárgyra, hanem az infravörös tartományba eső,  „nyugvónak” „közvetítőnek”* elnevezett fénysugarak egyike. A képet a közvetítő és a jel fénysugarak cseles összekeverésével lehet előállítani.

qei_1

 

A fenti ábra mutatja a berendezés vázlatát. A zöld lézert kettéosztják két nyalábra. A felső nyaláb fotonjait egy kálium-titanil-foszfát kristály segítségével szétbontják, így lesz belőle az összefonódott sárga (jel) és piros (közvetítő) nyaláb. Az közvetítő sugár rávetül a tárgyra, a jel viszont egyből tart a kamera felé. Ha a közvetítő átjut a tárgyon, belevezetik a másik oldalról induló nyalábba, ahol a két közvetítő fénysugár fotonjai egymáshoz hangolódnak. Végül a két közvetítőt kiterelik az útból, a két jelet pedig még egyszer összekeverik, majd két kamerával rögzítik a képüket. De hogy lesz ebből kép?

Röviden: a trükk az, hogy a kép egyes részein módosítják vagy különbözővé teszik a közvetítő fotonokat. Ezek a változások az összefonódás miatt megjelennek a jel fotonokban is.

A macska pozitív és negatív képe a kamerán (a), mellette a kivágat, amin átengedték a fényt (b). Alul a két kép összege, az interferencák szétválasztása nélkül, ezen csak a jel nyaláb teljes fényessége látszik (c), illetve a különbségük, ezen meg csak a macska (d).

 

Hosszabban pedig: az első kísérletben a kutatók egy macska alakú lyukon vezették át a közvetítő fénysugarat (egyértelmű utalásként a szintén osztrák Schrödingerre). Ha a közvetítő fotonokat figyelnénk meg, a macskán átjövő fénysugarat a másik úton jövővel összekeveredve látnánk. Az összefonódás miatt a két jel nyaláb fotonjait sem lehet szétválasztani, a nem megkülönböztethető fotonok között pedig kvantum-interferencia lép fel. A fázisuktól függően erősítik vagy gyengítik egymást, pont ahogy két hanghullám tenné ezt. Szétválasztva a kétfajta interferenciát, feltűnik a pozitív és negatív macska a kamera képén.

Mi a helyzet a macskán kívül? Ekkor csak az alsó nyalábból érkezhet közvetítő foton, hiszen a felsők megsemmisülnek, amikor megvilágítják a lapot.

És itt a kvantumelmélet ad még egy pofont a józan észnek:

hiába nem rögzítünk egyetlen közvetítő fotont sem, már a megkülönböztethetőségük lehetősége, tehát az információ puszta létezése is szétválasztja a velük összefonódott jel fotonokat is. A macskán kívül tehát nincs kvantum-interferencia. A kép létrejött, olyan fénysugarakból, amelyek sosem jártak a macska közelében.

A második kísérlet: a marás mentén fél fordulattal elhangolt fotonok ellentétes helyen hoznak létre összeadó és kioltó interferenciát.

 

A kutatók egy további kísérlettel is bizonyították, hogy egyértelműen az összefonódás és a kvantum-interferencia viszi át a tárgy képét a kamerára. Egy olyan lapot használtak, amely csak a közvetítő fotonok számára átlátszó, a jelet nem engedné át. Ebbe marták bele egy macska körvonalát. A marás mélysége olyan, hogy a fénysugarak fázisát egy fél fordulattal eltolja, így az erősítő és kioltó interferencia helye kicserélődik a macska mentén. Az, hogy a jel fénye eléri a kamerát, igazolja, hogy szabad útja volt. A macska képe pedig megerősíti, hogy a közvetítő fotonok érzékelték az útjukba eső akadályt, és a hatást átadták a jel fotonoknak is.

De mi értelme van ennyire agyszaggatóan bonyolult módszereket kitalálni egy újabb macskafotó elkészítéséhez?

A kvantum-összefonódáson alapuló fényképezés legfőbb előnye, hogy két különböző hullámhosszat használ a letapogatáshoz és a fotózáshoz, de semmilyen konverziót nem kell a kettő közé beiktatni. A hagyományos CCD csipek, tehát azok, amelyek a fényképezőgépekben, mobilokban találhatóak, csak az infravörös fény széléig érzékenyek. Ezzel a módszerrel meg lehet tartani a kamerát, és közben olyan hullámhosszú fénnyel fotózni, amelyet az már nem is érzékelne. Olyan anyagokat, áramköröket, biológiai mintákat lehetne vele vizsgálni, amelyet befolyásolna vagy roncsolná a látható fény. Sőt, a látható fényben átlátszó tárgyakat is lefotózhatnánk, az átlátszatlan anyagokon pedig átláthatnánk, kedvünk szerint. A hullámhosszak hangolásával akár sok színben is megtéve ugyanezt. Persze ne szaladjunk előre: még hosszú időbe telhet, amíg a laborból a tényleges felhasználásig eljutnak ezek az ötletek.

( *Fizikus olvasók nyugodtan javítsák a signal és idler kifejezéseket, ha van már rá magyar megfelelőjük.)

Népszerű
Uralkodj magadon!
Új kommentelési szabályok vannak 2016. január 21-től. Itt olvashatod el, hogy mik azok, és itt azt, hogy miért vezettük be őket.