Petualangan luar biasa dari Robert Hanbury Brown dan Richard Twiss. Bagian 3: dari teleskop ke komputasi kuantum

Akhir. Mulai di sini: bagian 1 , bagian 2 .



Dalam bahasa Inggris, ilmu roket dikatakan tentang hal-hal yang rumit dan tidak jelas. Di Rusia, mereka sering menggunakan perbandingan dengan teori relativitas atau mekanika kuantum. Meskipun yang terakhir dimulai dengan ide-ide yang sangat sederhana: katakanlah cahaya disebarkan oleh partikel-partikel individual - foton. Dalam satu detik Anda dapat melihat 96, 97 atau 99 foton, dan tidak pernah - 99 setengah. Ide sederhana yang mengejutkan ini membawa pada konsekuensi yang sangat tidak biasa.

Sebelum mengarahkan teleskop ganda ke Sirius , para pahlawan kami memutuskan untuk mengujinya di laboratorium. Bintang itu dimainkan oleh cahaya lampu yang berfokus pada lubang kecil, dan bukannya dua teleskop, dua photomultipliers digunakan. Itu tidak mungkin untuk menempatkan mereka berdampingan, jadi kami menemukan sebuah trik: cahaya dari "bintang" dikirim ke cermin transparan, yang memantulkan setengah radiasi dan yang lainnya ditransmisikan. Seorang fotografer pemula melihat pantulan "bintang", yang kedua berdiri di belakang cermin dan melihat "bintang" dalam cahaya:

Percobaan menunjukkan bahwa teori Twiss benar: semakin "terpisah" photomultipliers, semakin sedikit korelasi yang diukur. Tapi di sini muncul pertanyaan yang menarik. Photomultiplier adalah photodetector yang sangat sensitif, tugas utamanya adalah untuk menghasilkan pulsa arus yang kuat untuk satu foton yang masuk:

Fotomultiplier. Sebuah foton terbang dari kiri atas dan menghasilkan elektron. Itu dipercepat oleh bidang, menabrak dinode (intermediate anode) dan merobohkan dua elektron dari itu. Kedua elektron ini juga mempercepat dan menjatuhkan empat elektron dari dinode berikutnya, dan seterusnya. Akibatnya, satu foton menghasilkan pulsa arus yang baik.

Fotomultiplier tidak melihat cahaya, tetapi foton tunggal. Ini logis: setelah semua, intensitas cahaya hanyalah jumlah foton yang tiba dalam satu detik. Tetapi kemudian korelasi harus dipertimbangkan bukan untuk sinyal berisik, tetapi untuk foton. Masuk akal, mengapa tidak? Cukup ganti intensitas ( I ) dengan jumlah foton ( n ):

Untuk sumber independen, korelasinya adalah persatuan. Logikanya: ini adalah kasus teleskop bercerai ketika mereka melihat bagian-bagian berbeda dari bintang. Tetapi ketika teleskop "bergeser", korelasinya menjadi sama dengan dua. Ini berarti bahwa foton tidak datang secara independen, tetapi berpasangan! Bagaimana?

Waktunya telah tiba untuk mengingat sifat dasar dari optik kuantum: sejumlah bilangan bulat foton selalu datang untuk setiap interval waktu. Berdasarkan pada sifat ini, Roy Glauber dari Harvard menciptakan teori koherensi yang menggambarkan sifat-sifat foton, statistik, koherensi, dan semua itu. Ini didasarkan pada metode kuantisasi kedua, di mana operator pembuatan dan penghancuran foton digunakan - nama berbicara sendiri: foton muncul dan hilang oleh potongan, dan jumlah totalnya selalu tetap bilangan bulat.

Teori koherensi Glauber menjelaskan secara rinci eksperimen Hanbury Brown-Twiss dan menunjukkan bahwa foton dari bintang (dan dari sumber panas lainnya - lampu, LED, pelepasan gas, dll.) Benar-benar "mencoba" untuk berpasangan. Teori yang sama menjelaskan makna fisik dari fungsi korelasi misterius ini g ⁽²⁾ : ini menunjukkan bagaimana "ramah" sumber memancarkan foton. Jika g ⁽²⁾ lebih besar dari satu, maka foton lebih memilih untuk memancar dalam kelompok; jika kurang dari satu, maka secara terpisah. Nah, g ⁽²⁾ = 1 sesuai dengan foton yang dipancarkan secara independen. Anehnya, laser juga menghasilkan cahaya dengan g ⁽²⁾ = 1.

Di lingkaran ada nilai g ^{(2) yang berbeda} untuk teleskop "bergeser". Untuk "extended" g ⁽²⁾ selalu sama dengan unity (kanan).

Seperti yang diharapkan, g ⁽²⁾ = 2 berarti foton berpasangan, dan percobaannya benar. Keluarga Hanbury Brown merayakan acara yang menggembirakan ini dengan kelahiran dua anak kembar.

Robert Hanbury Brown sangat senang dengan apa yang terjadi.

Saya berbicara tentang teori koherensi dan tentang keajaiban foton ganda, tetapi ternyata entah bagaimana tidak bisa dimengerti. Untungnya, teorinya memiliki deskripsi yang lebih visual. Jika sumber memancarkan rata-rata 22,5 foton per detik, maka setiap detik kita kemungkinan besar akan mendeteksi 22 atau 23 foton, lebih jarang 15 atau 30, dan hampir tidak pernah nol atau seratus. The distribusi jumlah foton dengan maksimal di 22,5 alat tenun:

Dan seberapa lebar itu? Ternyata untuk radiasi "baik" (jika foton dipancarkan secara independen satu sama lain) berpusat pada N, lebar distribusi sama dengan akar N. Distribusi ini disebut Poisson . Jika distribusi ternyata lebih luas, itu disebut Super Poisson (dan yang lebih sempit adalah sub Poisson ):

Statistik Poisson, sub-Poisson, dan super-Poisson.

Nah, fungsi g ⁽²⁾ menunjukkan lebar distribusi: semakin besar, semakin besar distribusi. g ⁽²⁾ = 1 sesuai dengan distribusi Poisson, sementara itu tidak tergantung pada jumlah rata-rata foton. Artinya, untuk laser apa pun - baik untuk yang lemah dan yang kuat - g ⁽²⁾ sama dengan persatuan.

Untuk cahaya termal, g ⁽²⁾ = 2. Apakah ini berarti bahwa distribusi dua kali selebar laser? Tidak juga. Ini lebih lebar dari laser, tetapi terlihat sangat berbeda:

Artinya, radiasi panas agak mirip dengan distribusi tingkat energi: semakin tinggi tingkat (semakin besar jumlah foton), semakin kecil kemungkinan untuk melihatnya. Oleh karena itu kesimpulan utama: radiasi termal dan koheren memiliki sifat statistik yang berbeda secara fundamental . Bagian terbaiknya adalah mengukur g ⁽²⁾ menggunakan eksperimen Hanbury Brown-Twiss memungkinkan kita untuk dengan mudah mengukur statistik ini. Di mana ini berlaku? Misalnya, ketika mengembangkan laser: menggunakan g ^(2), Anda dapat menentukan ambang generasi (yaitu, kondisi di mana radiasi dari radiasi termal menjadi laser).

Nah, kasus yang paling menarik (dan bermanfaat) adalah g ⁽²⁾= 0. Lebar distribusi foton adalah nol! Apa artinya? Ternyata jumlah foton benar-benar diperbaiki dan tidak berubah dari detik ke detik. Distribusi terdiri dari satu puncak (gambar kanan):

Statistik foton: Poisson (ini juga koheren, g ⁽²⁾ = 1), termal (g ⁽²⁾ = 2), Fokovskaya (juga N-foton, g ⁽²⁾ = 0).

Hal yang paling menarik terjadi ketika sumber memancarkan tepat satu foton (tutup menunjukkan bahwa hal semacam itu disebut sumber foton tunggal)) Perangkat semacam itu diperlukan untuk pengoperasian transistor optik, perpindahan qubit, dalam kriptografi kuantum, dan aplikasi serupa. Persyaratan untuk mereka sangat serius: mereka tidak boleh menghasilkan lebih dari satu foton. Kalau tidak, foton yang dipancarkan secara acak dapat menyebabkan kebocoran informasi. Atau, misalnya, tombol optik akan menyala dari foton pertama dan segera mematikan dari yang kedua. Oleh karena itu, sumber foton tunggal harus diuji secara menyeluruh.

Bagaimana cara mendeteksi satu foton (atau lebih baik - dua)? Fotodioda konvensional tidak berguna: responsnya akan terlalu lemah. Mereka menggunakan dioda longsoran salju - tetapi memiliki kekurangannya. Sebagai contoh, ia memiliki waktu mati : untuk setiap foton yang datang, ia menghasilkan pulsa arus yang panjang, dan foton kedua tiba pada saat ini, dioda tidak memperhatikannya:

Penetasan merah adalah waktu mati. Biasanya tidak kurang dari 100 picoseconds.

Gagasan karakter utama kami datang untuk menyelamatkan: mari arahkan cahaya ke cermin transparan dan dua detektor, dan kemudian menghitung nilai g ⁽²⁾ . Jika g ⁽²⁾ = 0, maka sumbernya adalah foton tunggal, jika g ⁽²⁾ > 0, maka kadang-kadang memancarkan dua foton. Dan sekarang - perhatian, sihir fisik! - tiga penjelasan mengapa ini bekerja:

1. Dari gambar dengan distribusi.

Jika setiap detik sumber memancarkan satu foton, maka dalam histogram ada satu kolom di "1", lebar distribusi adalah nol dan g ⁽²⁾ = 0. Jika 2 foton kadang-kadang dipancarkan, maka kolom muncul di "2" di histogram dan lebar distribusi tumbuh, dan seiring dengan itu, g ⁽²⁾ tumbuh .

2. Dari formula

Jika sumbernya adalah foton tunggal, maka n1 + n2 = 1, yang berarti bahwa salah satu bilangan adalah nol, yang berarti bahwa produk n1 dan n2 juga nol, serta g ⁽²⁾ . Jika dua foton dipancarkan (n1 + n2 = 2), maka mungkin n1 = n2 = n1 * n2 = 1, dan g ⁽²⁾ menjadi lebih besar dari nol.

3. Dan akhirnya, hal yang paling penting: dari akal sehat! Jika foton dipancarkan berpasangan, maka dari waktu ke waktu satu foton akan mengenai satu dioda, dan yang kedua - ke yang kedua. Kemudian kita akan melihat operasi sinkron dari dioda - kebetulan yang meningkatkan nilai g ⁽²⁾ . Jika sumbernya benar-benar foton tunggal, maka dioda tidak akan pernah beroperasi secara bersamaan.

Ide Hanbury Brown-Twiss sangat diperlukan dalam analisis sumber foton tunggal. Untuk sumber yang bagus, fungsi korelasi g ⁽²⁾ terlihat seperti ini:

Di sini nol tidak di sebelah kiri, tetapi di tengah; di sebelah kiri adalah pergeseran negatif dari salah satu detektor (seolah-olah teleskop kiri ke kanan daripada kanan). Hal utama adalah tidak berubah-ubah: pada waktu tunda nol g ⁽²⁾ mencapai nol, pada waktu tunda foton sangat besar dipancarkan secara independen dan g ⁽²⁾ = 1.

Tetapi sumber yang tidak terlalu baik terlihat seperti ini:

Dapat dilihat bahwa fungsinya tidak jatuh di bawah 0,4. Ini berarti bahwa sumber sering memancarkan pasangan foton, dan untuk aplikasi yang sangat penting lebih baik untuk mencari yang lain.

Roy Glauber menerima Hadiah Nobel untuk teori koherensi pada 2005. Karakter utama kami tidak dapat membaginya: Richard Twiss tidak hidup sampai saat ini hanya enam bulan; tiga tahun sebelumnya Robert Hanbury Brown pergi. Tapi, seperti yang Anda tahu, pengakuan terbesar adalah ketika nama Anda menjadi nama rumah tangga. Sebuah ide sederhana dan cemerlang - mengukur korelasi menggunakan pelat kaca dan dua dioda - tetap dalam sejarah dengan nama sirkuit Hanbury Brown-Twiss .

Gambar dari artikel 2015 di jurnal ilmiah top Nature and Science dengan pengukuran korelasi menggunakan skema Hanbury Brown-Twiss. Tugas pengamatan: temukan di lima tempat :).

Ini mengakhiri ceritanya, tetapi kelanjutan logisnya dapat ditemukan di sini.

Sumber
M. Fox. Optik kuantum: Pendahuluan - Oxford University Press, 2006.
R. Hanbury Brown. Interferometer Intensitas. Aplikasi untuk Astronomi. - London: Taylor & Francis, 1974.
R. Hanbury Brown. Boffin: Sebuah Kisah Pribadi tentang Masa-Masa Awal Radar, Astronomi Radio, dan Optik Kuantum - Bristol: Adam Hilger, 1991.
Obituari: Robert Hanbury Brown. Nature 416, 34 (2002).

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

Source: https://habr.com/ru/post/id386779/