Detector de bombes de Elitzur–Vaidman

Archiu:E-Vbomb-testing.svg

Diagrama del detector de bombes. A: emissor de fotons, B: bomba a detectar, C i D: detector de fotons. Els espills en els cantons inferior esquerra i superior dreta són semiespejados.

En física, el problema del detector de bombes de Elitzur–Vaidman és un experiment mental de la mecànica quàntica, propost per primera volta per Avshalom Elitzur i Lev Vaidman en 1993. Es va construir i es va provar en èxit un detector de bombes real per Anton Zeilinger, Paul Kwiat, Harald Weinfurter i Thomas Herzog en 1994. Utilisa un interferómetro de Mach–Zehnder per a determinar si ha tingut lloc certa mida. Va ser seleccionat per la revista New Scientist com una de les sèt maravelles del món quàntic.

Problema

Considerem un conjunt de bombes, algunes de les quals són falses. Suponem que estes bombes conten en una característica especial: les bombes reals tenen un sensor accionado per fotons que farà detonar la bomba quan absorbix un fotó. Les bombes falses carixen de dit sensor, no explotaran mai i deixaran passar el fotó sense interferir en ell en cap sentit. El problema està en cóm separar a lo manco algunes de les bombes reals de les falses. Un método de classificació de les bombes podria ser detectar totes les bombes falses intentant fer-les detonar totes. Per desgràcia, este procés destruiria totes les bombes reals.

Solució

La solució per a detectar les bombes reals està en l'us d'un modo d'observació basat en la dualitat ona-corpúscul, una propietat de la mecànica quàntica.

Comencem en un interferómetro de Mach-Zehnder i una font de llum que emet fotons d'un en un. Quan un fotó emés per la font de llum alcança una superfície semiespejada, té la mateixa provabilitat de passar a través d'ella com de ser reflectit. Coloquem una bomba (B) que s'interponga en un dels camins del fotó. Si la bomba és real, el fotó serà absorbit i detonarà la bomba. Si la bomba és falsa, el fotó passarà a través d'ella sense ser alterat.

Quan l'estat d'un fotó és alterat de forma no determinista, com l'interacció en una superfície semiespejada que travessarà de forma no determinista o serà reflectit, el fotó es trobarà en una superposició quàntica, per la qual estarà en tots els possibles estats i podrà interferir en si mateixa. Este fenomen continua fins que un observador interaccione en ell, fent que colapse la funció d'ona i tornant al fotó a un estat determinista.

Per tant, hi ha només tres possibles resultats observables:

1. La bomba explota. La bomba era real, pero ya ha explotat.
2. La bomba no explota i només el detector (D) detecta el fotó. És possible que la bomba siga real o falsa.
3. La bomba no explota i només el detector (C) detecta el fotó. La bomba ha de ser real.

En este procés, el 25% de les bombes reals poden ser identificades com a tals sense tindre que detonar-les. Repetint este procés, sempre que nos trobem en el resultat #3, la provabilitat aumenta fins al 33%. (Vore la secció d'experiments avall per a una modificació d'este experiment en casi un 100% de possibilitats.)

Interpretació de Everett

Una atra forma conceptual d'entendre este fenomen és a través de l'interpretació dels univers paralels d'Hugh Everett. La superposició del comportament és anàloga a tindre univers paralels per a cada u dels estats del fotó. Per tant, quan un fotó es troba en una superfície semiespejada, en un dels univers passa a través, mentres que en un atre es reflectix en ella. Estos dos univers estan completament separats llevat per la partícula en superposició. El fotó que passa a través de l'espill en un univers pot interactuar en el fotó reflectit en ell en l'atre univers. Els fotons continuaran interactuant entre ells fins que un observador d'un dels univers medixca l'estat d'un dels fotons.

Explicació passe a pas

Si la bomba és falsa:

• El fotó tant (i) passarà a través de la primera superfície semiespejada (camí inferior) com (ii) serà reflectit (camí superior).
• La bomba no absorbirà el fotó, per lo que el camí inferior és una ruta possible fins al punt d'interferència.
• El sistema es reduïx a un interferómetro de Mach-Zehnder bàsic sense mostra, en el qual apareix una interferència constructiva a lo llarc del camí horisontal cap a (D) i una interferència destructiva a lo llarc del camí vertical cap a (C).
• Per tant, el detector en (D) detectarà un fotó i el detector en (C) no.

Si la bomba és real:

• El fotó tant (i) passarà a través de la primera superfície semiespejada (camí inferior) com (ii) serà reflectit (camí superior).
• En trobar-se en l'observador (la bomba), la funció d'ona colapsarà i el fotó prendrà el camí inferior o el superior, pero no abdós.
• Si el fotó pren el camí inferior:
  • Com la bomba és real, el fotó la detonarà i explotarà.
• Si el fotó pren el camí superior:
  • Com no pren el camí inferior, no hi haurà interferència en la segona superfície semiespejada.
  • El fotó, una volta en el camí superior, tant (i) passarà a través de la segona superfície semiespejada com (ii) serà reflectit.
  • Fins a trobar-se en atres observadors (detectors C i D), la funció d'ona colapsarà una atra volta i el fotó es trobarà o en el detector (C) o en el detector (D), pero no en abdós.