Observations des retardés

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9758 (2023) Citer cet article

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La superposition quantique est la pierre angulaire de la mécanique quantique, où les franges d'interférence proviennent de l'auto-interférence d'un seul photon via des caractéristiques photoniques indiscernables. Les expériences de choix retardé de Wheeler ont été largement étudiées pour la dualité onde-particule au cours des dernières décennies afin de comprendre la théorie de la complémentarité de la mécanique quantique. Le cœur de la gomme quantique à choix retardé réside dans la caractéristique quantique mutuellement exclusive violant la relation de cause à effet. Ici, nous démontrons expérimentalement la gomme quantique utilisant des paires de photons cohérentes par le choix retardé d'un polariseur placé hors de l'interféromètre. Les solutions de cohérence de la gomme quantique observée sont dérivées d'un interféromètre Mach – Zehnder typique, où la violation de la relation de cause à effet est due à des mesures sélectives du choix de base.

Les expériences de choix retardé proposées par Wheeler en 19781 pour la théorie de la complémentarité2 ont été étudiées de manière intensive au cours des dernières décennies3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. Bien que le concept original de la théorie de la complémentarité repose sur la nature exclusive entre des entités non commutables telles que la position et l'impulsion, des expériences de choix retardé ont été développées pour le contrôle des mesures de la dualité onde-particule dans un système interférométrique. La dualité onde-particule d'un photon unique montre une relation de compromis entre la visibilité des franges basée sur la nature des vagues et les informations de direction basées sur la nature des particules4. Les expériences de choix retardé ont été largement démontrées en utilisant des lumières thermiques5, des photons intriqués6,7,8, des atomes9,10,11, des neutrons3, des lasers atténués4,12,13 et des photons uniques antigroupés14,15. Dans le choix différé, un post-contrôle des mesures se traduit par un phénomène paradoxal de violation de la relation de cause à effet16. La gomme quantique repose sur le post-choix des mesures, en choisissant17 ou en effaçant18 l’une des natures. Récemment, la gomme quantique a été développée pour inverser une nature donnée via des post-mesures utilisant des photons intriqués, des photons cohérents, des lumières thermiques et des photons antigroupés.

Dans le présent article, la gomme quantique à choix retardé a été démontrée expérimentalement en utilisant des photons cohérents via des contrôles de base de polarisation, où les photons cohérents sont obtenus à partir d'un laser à onde continue atténuée (CW). Comme certains schémas à choix retardé13,14,18,19,21, celui-ci est destiné au post-contrôle de la nature prédéterminée des photons. Ici, notre interféromètre Mach – Zehnder (MZI) composé d'un séparateur de faisceau polarisant (PBS) et d'un séparateur de faisceau (BS) est réglé pour la nature des particules selon la loi de Fresnel-Arago23 ou des opérateurs quantiques sans interaction24. Ainsi, les informations de sens d'un photon unique à l'intérieur du MZI sont un fait prédéterminé, ce qui n'entraîne aucune frange d'interférence dans les ports de sortie du MZI. Cependant, sans contrôler le MZI lui-même, nous récupérons expérimentalement la nature ondulatoire du photon en contrôlant la base de polarisation du photon de sortie à l'aide d'un polariseur . Si les post-mesures montrent une frange d'interférence, cela représente la violation de la relation de cause à effet car le choix du polariseur satisfait à la séparation spatiale. Pour cela, nous avons mesuré les corrélations d’intensité du premier et du deuxième ordre à l’aide d’une unité de comptage de coïncidences.

La figure 1 montre le schéma de la présente gomme quantique à choix retardé utilisant des photons cohérents générés à partir d'un laser continu atténué (voir la section « Méthodes »). Pour la figure 1, une unité de comptage de coïncidences (CCU, DE2; Altera) est utilisée pour les corrélations d'intensité du premier et du deuxième ordre entre deux détecteurs D1 et D2 (SPCM-AQRH-15, Excelitas). Pour la corrélation de second ordre, seuls les photons doublement regroupés sont comptés par CCU, où le rapport de génération de photons doublement regroupés par rapport aux photons simples est d'environ 1 % au nombre moyen de photons \(\langle n\rangle \sim 0,01\) ( voir la section A des documents supplémentaires). Pour la corrélation d'intensité de premier ordre, les deux canaux d'entrée du CCU de D1 et D2 sont mesurés individuellement pendant une période de 0, 1 s par point de données (voir Fig. 2). Les photons groupés d'ordre supérieur sont négligés par les statistiques de Poisson (voir la section A des documents supplémentaires). Pour fournir le caractère aléatoire de la polarisation d'un photon unique, une plaque demi-onde (HWP) tournée de \(22,5^\circ\) est placée juste avant le MZI. Par le PBS suivant, le photon unique à l'intérieur du MZI présente des caractéristiques de photons distinctes avec des informations parfaites dans quel sens : \({|\psi \rangle }_{MZI}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left ({|V\rangle }_{UP}+{|H\rangle }_{LP}\right)\). Ainsi, les photons mesurés en dehors du MZI montrent la nature particulaire prédéterminée d'un photon unique (non représenté), comme dans les références 13, 14, 19.