The Q Quantum E Eraser: de demonstrating t the effect o of pa - - PowerPoint PPT Presentation

The ¡Quantum ¡Eraser ¡demonstra0on ¡that ¡we ¡recreated ¡illustrates ¡ fundamental ¡quantum ¡mechanical ¡effects ¡in ¡a ¡simple ¡table-­‑top ¡op0cal ¡

• experiment. ¡Specifically, ¡it ¡shows ¡how ¡making ¡a ¡measurement ¡alters ¡the ¡

state ¡of ¡a ¡quantum ¡mechanical ¡system, ¡and ¡how ¡subsequently ¡"erasing" ¡the ¡ path ¡knowledge ¡gained ¡by ¡the ¡measurement ¡can ¡restore ¡the ¡system ¡to ¡its ¡

• riginal ¡state. ¡Because ¡informa0on ¡about ¡two ¡possible ¡op0cal ¡paths ¡is ¡

involved ¡this ¡type ¡of ¡experiment ¡is ¡some0mes ¡called ¡a ¡"Welcher ¡Weg" ¡or ¡ "Which-­‑way" ¡experiment. ¡Such ¡experiments ¡have ¡been ¡imagined, ¡ performed ¡and ¡debated ¡since ¡the ¡earliest ¡days ¡of ¡quantum ¡mechanics ¡in ¡ the ¡1920's. ¡ ¡

The Q Quantum E Eraser: de demonstrating t the effect o

• f pa

path k knowledg dge o

• n o
• pt

ptical int inter erfer ferenc ence

Experiments ¡by ¡Thomas ¡Young ¡in ¡the ¡early ¡1800's ¡demonstrated ¡ diffrac0on ¡and ¡interference ¡of ¡light, ¡wave ¡phenomena. ¡A ¡century ¡later, ¡ careful ¡experiments ¡by ¡Robert ¡Millikan ¡on ¡the ¡photoelectric ¡effect ¡ confirmed ¡Einstein's ¡sugges0on ¡in ¡a ¡famous ¡1905 ¡paper ¡that ¡light ¡ consists ¡of ¡photons, ¡discreet ¡quan00es ¡of ¡energy. ¡ ¡When ¡the ¡two ¡ experiments ¡are ¡taken ¡together ¡light ¡gains ¡a ¡dual ¡aspect. ¡It ¡is ¡a ¡wave ¡ distributed ¡in ¡space ¡and ¡it ¡is ¡also ¡a ¡par0cle, ¡traveling ¡with ¡a ¡specific ¡ momentum ¡along ¡a ¡single ¡path. ¡(The ¡converse ¡is ¡also ¡true, ¡material ¡ par0cles ¡display ¡wave-­‑like ¡proper0es.) ¡ ¡

One i impo portant qu quantum m mechanical pr principl ple i is that l light b behaves a as b both a a w wave a and a d a pa particle. A Q A Quantum E Eraser de demonstrates t this, b by pe permitting m measurement o

• f w

wave-pa particle aspe pects o

• f l

light.

Our E Expe periment U Uses P Polarization o

• f L

Light t to G Gain P Path K Knowledg dge

Pola Polariz ization: ion:

• ¡Polarization is measured with a linear polarizing filter.
• ¡Polarization is changed using a half-wave plate.

Vertical Horizontal At an angle

The orientation of the electric field in an electromagnetic

• wave. It is a vector.

Path K Knowledg dge:

We measure and change the polarization of light along two paths to gain knowledge about which way the light is traveling. The measurement of knowledge is based

• n the likelihood of a path.

Wave N Nature Particle N Nature

Interference ¡ ¡ paUerns ¡ Predictability ¡ ¡

• f ¡traveled ¡path. ¡

Visibility ¡-­‑ ¡V ¡ Likelihood ¡-­‑ ¡L ¡ Demonstrated ¡By: ¡ Measured ¡By: ¡ Duality ¡Rela0onship: ¡

①

Ve Vertically-po polarized l d light f from a a H HeNe l laser i is s spl plit i into t two e equ qual intensity b beams w which f follow s sepa parate pa paths [ [Path 1 1 a and P d Path 2 2]

②

A h A half-wave pl plate pl placed i d in P Path 2 2 c changes t the po polarization o

• f t

this pa path t to h horizontal.

③

T The r resulting o

• rthogonal l

linear po polarizations i in t the t two interferometer a arms t then pr provide de i in pr principl ple a a w way t to t tell w which pa path t the l light h has f followed. d.

④

This i in-pr principl ple pa path k knowledg dge i is s suffi ficient t to de destroy t the interference pa pattern t that w would o d otherwise b be o

• bserved o

d on a a s screen after t the i interferometer.

⑤

A fi A final “ “Erasing” l linear po polarizer c can b be a adj djusted t d to c control t the amount o

• f w

which w way i information.

Pr Proc

• ces

ess

Vertical Linear Polarizer Adjustable Polarizer

Likelihood is adjusted by changing the polarization direction with theλ/2 plate

Viewing Screen

Laser

Path 1 Path 2

Measurement ¡Method ¡

A ¡photodetector ¡and ¡a/d ¡converter ¡ were ¡used ¡to ¡record ¡intensity ¡values ¡ at ¡equal ¡0me ¡intervals. ¡The ¡photocell ¡ was ¡placed ¡on ¡a ¡stage ¡and ¡moved ¡ through ¡the ¡fringes ¡at ¡a ¡fixed ¡rate. ¡

• Thor ¡Labs ¡DET ¡110 ¡photodetector ¡
• 1MΩ ¡i →V ¡resistor ¡
• Coaxial ¡cable ¡ ¡
• Arduino ¡microprocessor ¡board ¡
• Transla0on ¡stage ¡& ¡variable ¡speed ¡drill ¡

Path ¡1: ¡Ver0cal ¡ Path ¡2: ¡Ver0cal ¡ (HWP ¡20 ¡degrees) ¡ Eraser: ¡None ¡ Result: ¡ ¡ 100% ¡Visibility ¡ 100% ¡Intensity ¡

When ¡light ¡from ¡a ¡single ¡source ¡travels ¡two ¡different ¡paths ¡and ¡ recombines ¡it ¡forms ¡an ¡interference ¡paUern. ¡

Path ¡1: ¡Ver0cal ¡ Path ¡2: ¡Ver0cal ¡ (HWP ¡20 ¡degrees) ¡ Eraser: ¡Horizontal ¡ ( ¡0 ¡degrees) ¡ Result: ¡ ¡ Zero ¡Visibility ¡ Zero ¡Intensity ¡ Path ¡1: ¡Ver0cal ¡ Path ¡2: ¡Horizontal ¡ (HWP ¡78 ¡degrees) ¡ Eraser: ¡Horizontal ¡ (0 ¡degrees) ¡ Result: ¡ ¡ Zero ¡Visibility ¡ 50% ¡Intensity ¡

When ¡the ¡eraser ¡is ¡posi0oned ¡at ¡45 ¡degrees ¡the ¡previously ¡ hidden ¡fringes ¡become ¡visible. ¡

Path ¡1 ¡Ver0cal ¡ Path ¡2 ¡Horizontal ¡ Eraser ¡+45 ¡ Result: ¡ Fringe ¡Visibility ¡ Reduced ¡Intensity ¡ Path ¡1 ¡Ver0cal ¡ Path ¡2 ¡Horizontal ¡ Eraser ¡-­‑45 ¡ Result: ¡ Fringe ¡Visibility ¡ Reduced ¡Intensity ¡

Fringe P Pattern R Recorde ded w d with Ar Ardu duino

0 ¡ 5 ¡ 10 ¡ 15 ¡ 20 ¡ 0 ¡ 5 ¡ 10 ¡ 15 ¡ 20 ¡ 25 ¡ 30 ¡ 35 ¡ 40 ¡ 45 ¡ 50 ¡ Arduino ¡Voltage ¡Count ¡ Photodetector ¡posi7on ¡

Path 1 1 Ve Vertical | | P Path 2 2 H Horizontal | | E Eraser + +45°