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

The Q Quantum E Eraser: de demonstrating t the effect o of pa path k knowledg dge o on o opt ptical int inter erfer ferenc ence � 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 ¡ original ¡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. ¡ ¡

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. � 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.) ¡ ¡ A Q A Quantum E Eraser de demonstrates t this, b by pe permitting m measurement o of w wave-pa particle aspe pects o of l light. �

Our E Expe periment U Uses P Polarization o of L Light t to G Gain P Path K Knowledg dge � Pola Polariz ization: ion: � The orientation of the electric field in an electromagnetic wave. It is a vector. � Horizontal � Vertical � At an angle � • ¡ Polarization is measured with a linear polarizing filter. � • ¡ Polarization is changed using a half-wave plate. � 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 � on the likelihood of a path. �

Particle N Nature � Wave N Nature � Demonstrated ¡By: ¡ Interference ¡ ¡ Predictability ¡ ¡ paUerns ¡ of ¡traveled ¡path. ¡ Measured ¡By: ¡ Likelihood ¡-­‑ ¡L ¡ Visibility ¡-­‑ ¡V ¡ Duality ¡Rela0onship: ¡

① ② ⑤ ④ ③ Proc Pr oces ess � Vertically-po Ve 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] � A h A half-wave pl plate pl placed i d in P Path 2 2 c changes t the po polarization o of t this pa path t to h horizontal. � The r T resulting o orthogonal 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 path t pa the l light h has f followed. d. � 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 observed o d on a a s screen after t the i interferometer. � 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 of w which w way i information. �

Path 1 � Laser � Vertical � Linear Polarizer � Path 2 � Adjustable Polarizer � Likelihood is adjusted by changing the polarization direction with the λ /2 plate � Viewing Screen �

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

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

Fringe P Pattern R Recorde ded w d with Ar Ardu duino � Path 1 1 Ve Vertical | | P Path 2 2 H Horizontal | | E Eraser + +45° � 20 ¡ 15 ¡ Arduino ¡Voltage ¡Count ¡ 10 ¡ 5 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 5 ¡ 10 ¡ 15 ¡ 20 ¡ 25 ¡ 30 ¡ 35 ¡ 40 ¡ 45 ¡ 50 ¡ Photodetector ¡posi7on ¡