Die unglaublichen Abenteuer von Robert Hanbury Brown und Richard Twiss. Teil 3: Vom Teleskop zum Quantencomputer

Ende. Beginnen Sie hier: Teil 1 , Teil 2 .



Im Englischen wird Raketenwissenschaft über komplexe und dunkle Dinge gesagt. Im Russischen greifen sie häufig auf Vergleiche mit der Relativitätstheorie oder der Quantenmechanik zurück. Obwohl letzteres mit sehr einfachen Ideen beginnt: Nehmen wir an, dass sich Licht von einzelnen Teilchen - Photonen - ausbreitet. In einer Sekunde können Sie 96, 97 oder 99 Photonen sehen und niemals - 99 und eine halbe. Diese überraschend einfache Idee führt zu sehr ungewöhnlichen Konsequenzen.

Bevor unsere Helden das Doppelteleskop an Sirius richteten, beschlossen sie, es im Labor zu testen. Der Stern wurde vom Licht einer Lampe gespielt, die auf ein kleines Loch fokussiert war, und anstelle von zwei Teleskopen wurden zwei Fotovervielfacher verwendet. Es war nicht möglich, sie nebeneinander zu platzieren, daher haben wir uns einen Trick ausgedacht: Das Licht des „Sterns“ wurde zu einem durchscheinenden Spiegel geschickt, der die eine Hälfte der Strahlung reflektierte und die andere durchstrahlte. Ein Fotovervielfacher betrachtete die Reflexion des "Sterns", der zweite stand hinter dem Spiegel und sah den "Stern" im Licht:

Das Experiment zeigte, dass Twiss 'Theorie richtig ist: Je weiter die Photovervielfacher voneinander entfernt sind, desto geringer ist die gemessene Korrelation. Aber hier stellte sich eine interessante Frage. Ein Fotovervielfacher ist ein sehr empfindlicher Fotodetektor. Seine Hauptaufgabe besteht darin, einen starken Stromimpuls für ein einfallendes Photon zu erzeugen:

Fotovervielfacher. Ein Photon flog von oben links und erzeugte ein Elektron. Es wurde durch ein Feld beschleunigt, traf eine Dynode (Zwischenanode) und schlug zwei Elektronen aus. Diese beiden Elektronen beschleunigten ebenfalls und schlugen vier Elektronen aus der nächsten Dynode und so weiter. Infolgedessen erzeugte ein einzelnes Photon einen so guten Stromimpuls.

Der Photovervielfacher sieht kein Licht, sondern einzelne Photonen. Das ist logisch: Schließlich ist die Lichtintensität einfach die Anzahl der Photonen, die in einer Sekunde ankommen. Dann sollte die Korrelation jedoch nicht für ein verrauschtes Signal, sondern für Photonen berücksichtigt werden. Vernünftig, warum nicht? Ersetzen Sie einfach die Intensität ( I ) durch die Anzahl der Photonen ( n ):

Für unabhängige Quellen ist die Korrelation Einheit. Logischerweise: Dies ist bei geschiedenen Teleskopen der Fall, wenn sie verschiedene Teile des Sterns sehen. Wenn die Teleskope jedoch "verschoben" werden, wird die Korrelation gleich zwei. Dies bedeutet, dass Photonen nicht unabhängig voneinander, sondern paarweise kommen! Wie das?

Es ist an der Zeit, an die grundlegende Eigenschaft der Quantenoptik zu erinnern: Für jedes Zeitintervall kommt immer eine ganzzahlige Anzahl von Photonen. Basierend auf dieser Eigenschaft erstellt Roy Glauber aus Harvard eine Kohärenztheorie , die die Eigenschaften von Photonen, ihre Statistik, Kohärenz und all das beschreibt. Es basiert auf der zweiten Quantisierungsmethode, bei der die Operatoren zur Erzeugung und Vernichtung von Photonen verwendet werden - die Namen sprechen für sich selbst: Photonen erscheinen und verschwinden durch das Stück, und ihre Gesamtzahl bleibt immer ganzzahlig.

Glaubers Kohärenztheorie beschrieb das Hanbury Brown-Twiss-Experiment ausführlich und zeigte, dass Photonen von einem Stern (und von jeder anderen Wärmequelle - Lampen, LEDs, Gasentladungen usw.) wirklich "versuchen", paarweise zu kommen. Dieselbe Theorie erklärte die physikalische Bedeutung dieser mysteriösen Korrelationsfunktion g ⁽²⁾ : Sie zeigt, wie „freundlich“ die Quelle Photonen emittiert. Wenn g ⁽²⁾ größer als eins ist, strahlen Photonen lieber in Gruppen; wenn weniger als eins, dann separat. Nun, g ⁽²⁾ = 1 entspricht Photonen, die unabhängig voneinander emittiert werden. Seltsamerweise erzeugt der Laser auch Licht mit g ⁽²⁾ = 1.

In Kreisen gibt es unterschiedliche g ⁽²⁾ -Werte für "verschobene" Teleskope. Für "erweitert" ist g ⁽²⁾ immer gleich Eins (rechts).

Wie erwartet bedeutet g ⁽²⁾ = 2, dass Photonen paarweise kommen und das Experiment korrekt ist. Die Familie Hanbury Brown feierte dieses freudige Ereignis mit der Geburt von zwei Zwillingen.

Robert Hanbury Brown ist definitiv zufrieden mit dem, was passiert.

Ich sprach über die Kohärenztheorie und über die Magie der Doppelphotonen, aber es stellte sich irgendwie als unverständlich heraus. Glücklicherweise hat die Theorie eine visuellere Beschreibung. Wenn die Quelle durchschnittlich 22,5 Photonen pro Sekunde emittiert, werden wir höchstwahrscheinlich jede Sekunde 22 oder 23 Photonen erkennen, seltener 15 oder 30 und fast nie null oder einhundert. Die Verteilung der Anzahl der Photonen mit einem Maximum bei 22,5 Webstühlen:

Und wie breit ist es? Es stellt sich heraus, dass für "gute" Strahlung (wenn die Photonen unabhängig voneinander emittiert werden), die auf N zentriert ist, die Verteilungsbreite gleich der Wurzel von N ist. Diese Verteilung wird Poisson genannt . Wenn sich herausstellt, dass die Verteilung breiter ist, wird sie Super Poisson genannt (und eine engere ist Sub Poisson ):

Poisson-, Sub-Poisson- und Super-Poisson-Statistiken.

Nun, die Funktion g ⁽²⁾ zeigt die Verteilungsbreite: Je größer sie ist, desto breiter ist die Verteilung. g ⁽²⁾ = 1 entspricht der Poisson-Verteilung, während es nicht von der durchschnittlichen Anzahl von Photonen abhängt. Das heißt, für jeden Laser - sowohl für die Schwachen als auch für die Starken - ist g ⁽²⁾ gleich Eins.

Für thermisches Licht ist g ⁽²⁾ = 2. Bedeutet dies, dass die Verteilung doppelt so breit ist wie die des Lasers? Nicht wirklich. Es ist breiter als der Laser, sieht aber ganz anders aus:

Das heißt, Wärmestrahlung ähnelt in gewisser Weise der Verteilung der Energieniveaus: Je höher das Niveau (je größer die Anzahl der Photonen), desto weniger wahrscheinlich ist es, dass sie es sieht. Daher die Hauptschlussfolgerung: Wärmestrahlung und kohärente Strahlung haben grundsätzlich unterschiedliche statistische Eigenschaften . Das Beste daran ist, dass wir durch Messung von g ⁽²⁾ mit dem Hanbury Brown-Twiss-Experiment diese Statistiken leicht messen können. Wo gilt das? Nun, zum Beispiel bei der Entwicklung von Lasern: Mit g ^{(2) können} Sie die Erzeugungsschwelle bestimmen (dh die Bedingungen, unter denen Strahlung von Wärmestrahlung zu Laser wird).

Nun, der interessanteste (und nützlichste) Fall ist g ⁽²⁾= 0. Die Breite der Photonenverteilung ist Null! Was bedeutet das? Es stellt sich heraus, dass die Anzahl der Photonen streng festgelegt ist und sich nicht von Sekunde zu Sekunde ändert. Die Verteilung besteht aus einem einzelnen Peak (rechtes Bild):

Photonenstatistik: Poisson (es ist auch kohärent, g ⁽²⁾ = 1), thermisch (g ⁽²⁾ = 2), Fokovskaya (es ist auch N-Photon, g ⁽²⁾ = 0).

Das Interessanteste passiert, wenn die Quelle genau ein Photon emittiert (die Kappe deutet darauf hin, dass so etwas als Einzelphotonenquelle bezeichnet wird) Solche Vorrichtungen werden für den Betrieb von optischen Transistoren, Schalt-Qubits, in der Quantenkryptographie und ähnlichen Anwendungen benötigt. Die Anforderungen an sie sind sehr ernst: Sie sollten keinesfalls mehr als ein Photon erzeugen. Andernfalls kann ein zufällig emittiertes Photon zu einem Informationsverlust führen. Zum Beispiel wird der optische Schlüssel vom ersten Photon an eingeschaltet und vom zweiten sofort ausgeschaltet. Daher müssen Einzelphotonenquellen gründlich getestet werden.

Wie erkennt man ein Photon (oder besser zwei)? Eine herkömmliche Fotodiode ist nutzlos: Die Reaktion ist zu schwach. Sie verwenden eine Lawinendiode - aber sie hat ihre Nachteile. Zum Beispiel hat es eine Totzeit : Für jedes ankommende Photon erzeugt es einen langen Stromimpuls, und das zweite Photon kommt zu diesem Zeitpunkt an, die Diode bemerkt es einfach nicht:

Rote Schraffur ist eine tote Zeit. Normalerweise sind es nicht weniger als 100 Pikosekunden.

Die Idee unserer Hauptfiguren kommt zur Rettung: Lassen Sie uns das Licht auf einen durchscheinenden Spiegel und zwei Detektoren richten und dann den Wert von g ⁽²⁾ berechnen . Wenn g ⁽²⁾ = 0 ist, ist die Quelle ein Einzelphoton, wenn g ⁽²⁾ > 0 ist, emittiert sie manchmal zwei Photonen. Und jetzt - Aufmerksamkeit, physische Magie! - drei Erklärungen, warum dies funktioniert:

1. Aus einem Bild mit Verteilungen.

Wenn die Quelle jede Sekunde ein Photon emittiert, gibt es im Histogramm eine Spalte auf "1", die Verteilungsbreite ist Null und g ⁽²⁾ = 0. Wenn manchmal 2 Photonen emittiert werden, erscheint die Spalte auf "2" im Histogramm und die Verteilungsbreite wächst und zusammen mit ihm wächst g ⁽²⁾ .

2. Aus der Formel

Wenn die Quelle ein Einzelphoton ist, dann ist n1 + n2 = 1, was bedeutet, dass eine der Zahlen Null ist, was bedeutet, dass das Produkt von n1 und n2 ebenfalls Null ist, sowie g ⁽²⁾ . Wenn zwei Photonen emittiert werden (n1 + n2 = 2), dann ist vielleicht n1 = n2 = n1 * n2 = 1 und g ⁽²⁾ wird größer als Null.

3. Und schließlich das Wichtigste: vom gesunden Menschenverstand! Wenn Photonen paarweise emittiert werden, trifft von Zeit zu Zeit ein Photon auf eine Diode und das zweite - auf das zweite. Dann werden wir den synchronen Betrieb der Dioden sehen - Zufälle , die den Wert von g ⁽²⁾ erhöhen . Wenn die Quelle wirklich ein Einzelphoton ist, arbeiten die Dioden niemals gleichzeitig.

Die Idee von Hanbury Brown-Twiss ist für die Analyse von Einzelphotonenquellen völlig unverzichtbar. Für eine gute Quelle sieht die Korrelationsfunktion g ⁽²⁾ ungefähr so ​​aus:

Hier ist die Null nicht links, sondern in der Mitte; Links sind die negativen Verschiebungen eines der Detektoren (als ob das linke Teleskop rechts als rechts wäre). Die Hauptsache ist unveränderlich: Bei einer Zeitverzögerung von Null erreicht g ⁽²⁾ Null, bei einer sehr großen Verzögerung werden Photonen unabhängig voneinander emittiert und g ⁽²⁾ = 1.

Aber eine nicht so gute Quelle sieht ungefähr so ​​aus:

Es ist ersichtlich, dass die Funktion 0,4 nicht unterschreitet. Dies bedeutet, dass die Quelle häufig Photonenpaare emittiert. Für besonders wichtige Anwendungen ist es besser, nach einem anderen zu suchen.

Roy Glauber erhielt 2005 den Nobelpreis für Kohärenztheorie. Unsere Hauptfiguren konnten es nicht teilen: Richard Twiss hat diesen Moment nur sechs Monate nicht erfüllt; drei Jahre zuvor war Robert Hanbury Brown weg. Aber wie Sie wissen, ist die größte Anerkennung, wenn Ihr Name ein bekannter Name wird. Eine einfache und brillante Idee - das Messen von Korrelationen mit einer Glasplatte und zwei Dioden - blieb unter dem Namen Hanbury Brown-Twiss-Schaltung in der Geschichte .

Bilder von Artikeln aus dem Jahr 2015 in den wichtigsten wissenschaftlichen Fachzeitschriften Nature and Science mit Messung von Korrelationen nach dem Hanbury Brown-Twiss-Schema. Die Aufgabe der Beobachtung: an fünf Stellen finden :).

Damit ist die Geschichte beendet, aber ihre logische Fortsetzung finden Sie hier.

Quellen von
M. Fox. Quantenoptik: Eine Einführung - Oxford University Press, 2006.
R. Hanbury Brown. Das Intensitätsinterferometer. Seine Anwendung auf die Astronomie. - London: Taylor & Francis, 1974.
R. Hanbury Brown. Boffin: Eine persönliche Geschichte der Anfänge von Radar, Radioastronomie und Quantenoptik - Bristol: Adam Hilger, 1991.
Nachruf: Robert Hanbury Brown. Nature 416, 34 (2002).

Bilder: 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 .

Source: https://habr.com/ru/post/de386779/