As incríveis aventuras de Robert Hanbury Brown e Richard Twiss. Parte 3: do telescópio à computação quântica

Final. Comece aqui: parte 1 , parte 2 .



Em inglês, fala-se de ciência de foguetes sobre coisas complexas e obscuras. Em russo, eles recorrem frequentemente à comparação com a teoria da relatividade ou a mecânica quântica. Embora o último comece com idéias muito simples: digamos que a luz seja propagada por partículas individuais - fótons. Em um segundo, você pode ver 96, 97 ou 99 fótons, e nunca - 99 e meio. Essa idéia surpreendentemente simples leva a consequências muito incomuns.

Antes de direcionar o telescópio duplo para Sirius , nossos heróis decidiram testá-lo em laboratório. A estrela foi tocada pela luz de uma lâmpada focada em um pequeno buraco e, em vez de dois telescópios, dois fotomultiplicadores foram usados. Como não era possível colocá-los lado a lado, criamos um truque: a luz da "estrela" era enviada para um espelho translúcido, que refletia metade da radiação e a outra transmitida. Um fotomultiplicador olhou para o reflexo da "estrela", o segundo ficou atrás do espelho e viu a "estrela" na luz:

O experimento mostrou que a teoria de Twiss está correta: quanto mais "separados" os fotomultiplicadores, menor a correlação medida. Mas aqui surgiu uma questão interessante. Um fotomultiplicador é um fotodetector muito sensível; sua principal tarefa é gerar um poderoso pulso de corrente para um fóton recebido:

Fotomultiplicador. Um fóton voou do canto superior esquerdo e gerou um elétron. Foi acelerado por um campo, atingiu um dínodo (ânodo intermediário) e arrancou dois elétrons dele. Esses dois elétrons também aceleraram e derrubaram quatro elétrons do próximo dínodo, e assim por diante. Como resultado, um único fóton gerou um pulso de corrente tão bom.

O fotomultiplicador não vê luz, mas fótons únicos. Isso é lógico: afinal, a intensidade da luz é simplesmente o número de fótons que chegam em um segundo. Mas a correlação deve ser considerada não para um sinal barulhento, mas para fótons. Razoável, por que não? Apenas substitua a intensidade ( I ) pelo número de fótons ( n ):

Para fontes independentes, a correlação é unidade. Logicamente: é o caso dos telescópios divorciados quando vêem diferentes partes da estrela. Mas quando os telescópios são "deslocados", a correlação se torna igual a dois. Isso significa que os fótons não vêm independentemente, mas em pares! Como assim?

Chegou a hora de recordar a propriedade fundamental da óptica quântica: um número inteiro de fótons sempre chega por qualquer intervalo de tempo. Com base nessa propriedade, Roy Glauber, de Harvard, cria uma teoria da coerência que descreve as propriedades dos fótons, suas estatísticas, coerência e tudo mais. É baseado no segundo método de quantização, no qual os operadores de criação e aniquilação de fótons são usados - os nomes falam por si: os fótons aparecem e desaparecem pela peça, e seu número total sempre permanece inteiro.

A teoria da coerência de Glauber descreveu em detalhes o experimento de Hanbury Brown-Twiss e mostrou que os fótons de uma estrela (e de qualquer outra fonte de calor - lâmpadas, LEDs, descargas de gás etc.) realmente “tentam” aparecer em pares. A mesma teoria explicou o significado físico dessa misteriosa função de correlação g ⁽²⁾ : mostra como "amigável" a fonte emite fótons. Se g ^{(2) é} maior que a unidade, os fótons preferem irradiar em grupos; se for menor que um, então separadamente. Bem, g ⁽²⁾ = 1 corresponde a fótons que são emitidos independentemente. Curiosamente, o laser também gera luz com g ⁽²⁾ = 1.

Em círculos, existem diferentes valores de g ⁽²⁾ para telescópios "deslocados". Para "estendido", g ^{(2) é} sempre igual à unidade (direita).

Como esperado, g ⁽²⁾ = 2 significa que os fótons vêm em pares, e o experimento está correto. A família Hanbury Brown comemorou este evento alegre com o nascimento de dois gêmeos.

Robert Hanbury Brown está definitivamente satisfeito com o que está acontecendo.

Eu falei sobre a teoria da coerência e sobre a magia dos fótons duplos, mas acabou sendo algo incompreensível. Felizmente, a teoria tem uma descrição mais visual. Se a fonte emitir uma média de 22,5 fótons por segundo, então a cada segundo provavelmente detectaremos 22 ou 23 fótons, menos frequentemente 15 ou 30, e quase nunca zero ou cem. A distribuição do número de fótons com um máximo de 22,5 teares:

E qual a largura? Acontece que, para a radiação "boa" (se os fótons são emitidos independentemente um do outro) centrada em N, a largura da distribuição é igual à raiz de N. Essa distribuição é chamada Poisson . Se a distribuição for mais ampla, chama-se Super Poisson (e uma mais estreita é sub Poisson ):

Estatísticas de Poisson, sub-Poisson e super-Poisson.

Bem, a função g ⁽²⁾ mostra a largura da distribuição: quanto maior, maior a distribuição. g ⁽²⁾ = 1 corresponde à distribuição de Poisson, enquanto não depende do número médio de fótons. Ou seja, para qualquer laser - tanto para os fracos quanto para os poderosos - g ⁽²⁾ é igual à unidade.

Para luz térmica, g ⁽²⁾ = 2. Isso significa que a distribuição é duas vezes maior que o laser? Na verdade não. É mais largo que o laser, mas parece completamente diferente:

Ou seja, a radiação térmica é um pouco semelhante à distribuição dos níveis de energia: quanto maior o nível (maior o número de fótons), menor a probabilidade de vê-lo. Daí a principal conclusão: radiação térmica e coerente têm propriedades estatísticas fundamentalmente diferentes . A melhor parte é que medir g ⁽²⁾ usando o experimento Hanbury Brown-Twiss nos permite medir facilmente essas estatísticas. Onde isso se aplica? Bem, por exemplo, ao desenvolver lasers: usando g ^(2), você pode determinar o limiar de geração (ou seja, as condições sob as quais a radiação da radiação térmica se torna laser).

Bem, o caso mais interessante (e útil) é g ⁽²⁾= 0. A largura da distribuição de fótons é zero! O que isso significa? Acontece que o número de fótons é estritamente fixo e não muda de segundo para segundo. A distribuição consiste em um único pico (figura à direita):

Estatística de fótons: Poisson (também é coerente, g ⁽²⁾ = 1), térmico (g ⁽²⁾ = 2), Fokovskaya (também é N-fóton, g ⁽²⁾ = 0).

A coisa mais interessante acontece quando a fonte emite exatamente um fóton (a tampa sugere que isso é chamado de fonte de fóton único) Tais dispositivos são necessários para a operação de transistores ópticos, qubits de comutação, em criptografia quântica e aplicações similares. Os requisitos para eles são muito sérios: eles nunca devem gerar mais de um fóton. Caso contrário, um fóton emitido aleatoriamente pode levar ao vazamento de informações. Ou, por exemplo, a tecla óptica liga-se a partir do primeiro fóton e apaga-se imediatamente a partir do segundo. Portanto, as fontes de fóton único devem ser exaustivamente testadas.

Como detectar um fóton (ou melhor - dois)? Um fotodiodo convencional é inútil: a resposta será muito fraca. Eles usam um diodo de avalanche - mas tem suas desvantagens. Por exemplo, ele tem tempo morto : para cada fóton que chega, gera um pulso de corrente longa e o segundo fóton chega nesse momento, o diodo simplesmente não percebe:

Incubação vermelha é um tempo morto. Geralmente não é inferior a 100 picossegundos.

A idéia de nossos personagens principais vem em socorro: vamos direcionar a luz para um espelho translúcido e dois detectores e depois calcular o valor de g ⁽²⁾ . Se g ⁽²⁾ = 0, então a fonte é de fóton único, se g ⁽²⁾ > 0, às vezes emite dois fótons. E agora - atenção, magia física! - três explicações sobre por que isso funciona:

1. A partir de uma imagem com distribuições.

Se a cada segundo que a fonte emite um fóton, no histograma há uma coluna em "1", a largura da distribuição é zero e g ⁽²⁾ = 0. Se às vezes são emitidos 2 fótons, a coluna aparece em "2" no histograma e a largura da distribuição aumenta, e junto com ele, g ⁽²⁾ cresce .

2. Da fórmula

Se a fonte for um fóton único, então n1 + n2 = 1, o que significa que um dos números é zero, o que significa que o produto de n1 e n2 também é zero, além de g ⁽²⁾ . Se dois fótons são emitidos (n1 + n2 = 2), talvez n1 = n2 = n1 * n2 = 1 e g ⁽²⁾ se torne maior que zero.

3. E, finalmente, a coisa mais importante: do senso comum! Se os fótons são emitidos em pares, de tempos em tempos um fóton atinge um diodo e o segundo - para o segundo. Então veremos a operação síncrona dos diodos - coincidências que aumentam o valor de g ⁽²⁾ . Se a fonte for verdadeiramente de fóton único, os diodos nunca funcionarão simultaneamente.

A idéia de Hanbury Brown-Twiss é completamente indispensável na análise de fontes de fóton único. Para uma boa fonte, a função de correlação g ⁽²⁾ é mais ou menos assim:

Aqui o zero não está na esquerda, mas no meio; à esquerda estão os desvios negativos de um dos detectores (como se o telescópio esquerdo estivesse à direita e não à direita). O principal é invariável: no atraso de tempo zero g ⁽²⁾ chega a zero, com um atraso muito grande, os fótons são emitidos independentemente eg ⁽²⁾ = 1.

Mas uma fonte não tão boa se parece com isso:

Pode-se observar que a função não cai abaixo de 0,4. Isso significa que a fonte geralmente emite pares de fótons e, para aplicações especialmente importantes, é melhor procurar outro.

Roy Glauber recebeu o Prêmio Nobel pela teoria da coerência em 2005. Nossos personagens principais não puderam compartilhar: Richard Twiss não viveu até esse momento apenas seis meses; três anos antes, Robert Hanbury Brown se fora. Mas, como você sabe, o maior reconhecimento é quando seu nome se torna um nome familiar. Uma idéia simples e brilhante - medir correlações usando uma placa de vidro e dois diodos - permaneceu na história sob o nome de circuito Hanbury Brown-Twiss .

Fotos de artigos de 2015 nas principais revistas científicas Nature e Science com medição de correlações usando o esquema Hanbury Brown-Twiss. A tarefa da observação: encontre-a em cinco lugares :).

Isso termina a história, mas sua continuação lógica pode ser encontrada aqui.

Fontes de
M. Fox. Ótica quântica: Uma Introdução - Oxford University Press, 2006.
R. Hanbury Brown. O interferômetro de intensidade. Sua aplicação à astronomia. - Londres: Taylor & Francis, 1974.
R. Hanbury Brown. Boffin: Uma História Pessoal dos Primeiros Dias do Radar, Radioastronomia e Quantum Optics - Bristol: Adam Hilger, 1991.
Obituário: Robert Hanbury Brown. Nature 416, 34 (2002).

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

Source: https://habr.com/ru/post/pt386779/