O nouă extensie a experimentului cu alegere întârziată al lui Wheeler, prin selecții duale în interferometria cuantică

Bună! Imaginează-ți că suntem la ora de fizică din clasa a 12-a, unde discutăm despre mecanica cuantică – acea parte a fizicii care descrie comportamentul particulelor la scară microscopică, unde regulile clasice (cum ar fi cele ale lui Newton) nu mai funcționează perfect. Astăzi, vom vorbi despre un experiment recent, o extensie a faimosului experiment “delayed-choice” al lui John Wheeler, bazat pe un articol din 2024 publicat de Science China Press. O să explic pas cu pas, folosind concepte pe care le-ai învățat deja, cum ar fi dualitatea undă-particulă, interferența și entanglement-ul cuantic. 0

1. Reamintire: Dualitatea undă-particulă în mecanica cuantică

În fizica cuantică, particulele precum fotonii (particulele de lumină) sau electronii nu se comportă doar ca particule punctiforme (ca o bilă care urmează o traiectorie clară), ci și ca unde (care se pot suprapune și interfera, creând modele de maxim și minim, ca valurile pe apă). Asta se numește dualitate undă-particulă. Un exemplu clasic este experimentul cu două fante (double-slit experiment al lui Young):

• Dacă trimiți fotoni printr-o placă cu două fante și nu observi pe care fantă trece fiecare, pe ecranul din spate apare un model de interferență (benzi luminoase și întunecate) – dovadă că fotonul s-a comportat ca o undă, trecând prin ambele fante simultan și interferând cu sine însuși.
• Dar dacă pui detectoare la fante pentru a vedea pe care cale merge fotonul, modelul de interferență dispare, și apar doar două benzi clare – fotonul se comportă ca o particulă, alegând o singură cale.

Problema? Comportamentul depinde de măsurare. Niels Bohr a zis că particula nu are o “realitate” fixă (undă sau particulă) până nu o măsurăm – asta e principiul complementarității.

2. Experimentul original al lui Wheeler: “Delayed-choice”

În 1978, fizicianul John Wheeler a dus ideea mai departe cu un experiment gândit: Ce-ar fi dacă am decide după ce fotonul a trecut de fante dacă să măsurăm comportamentul de undă sau de particulă? Asta pune la îndoială cauzalitatea – parcă trecutul fotonului se schimbă în funcție de decizia noastră viitoare!

Setup-ul clasic folosește un interferometru Mach-Zehnder (un dispozitiv optic care desparte și recombină căile luminii cu ajutorul unor splittere de fascicul, ca niște oglinzi semi-transparente):

• Un foton intră și este despărțit în două căi posibile de primul splitter (ca două fante).
• La sfârșit, poți pune sau nu un al doilea splitter:
• Dacă-l pui, căile se recombină, și vezi interferență (comportament de undă).
• Dacă nu-l pui, măsori pe care cale a venit fotonul (comportament de particulă).
• Twist-ul: Decizi să pui sau nu al doilea splitter după ce fotonul a trecut de primul! Experimente reale (cu fotoni) au confirmat: rezultatul depinde de alegerea târzie. Parcă fotonul “știe” retrospectiv cum să se comporte, deși în lumea cuantică nu e o cauzalitate inversă, ci o probabilitate nedefinită până la măsurare.

Asta sugerează că realitatea cuantică nu e “fixă” în trecut; măsurarea o “colapsează”.

3. Extensia nouă din articol: Experiment cu selecții duale

Acum, ajungem la ce e nou în acest experiment din 2024, realizat de cercetători de la Universitatea Ningbo și Universitatea de Știință și Tehnologie din China. Ei au extins ideea lui Wheeler adăugând selecții duale – adică nu doar decizia târzie pentru splitter-ul de ieșire (al doilea), ci și pentru cel de intrare (primul)! Asta face experimentul mai complex și oferă perspective noi asupra măsurării cuantice. 0

Cum au făcut-o? Au folosit fotoni într-un interferometru avansat, dar au adăugat doi qubiți anciliari (qubiți auxiliari, ca niște “ajutoare” cuantice, reprezentați prin linii albastre și roșii în schema lor). Qubiții sunt biți cuantici care pot fi în superpoziție (0 și 1 simultan). Iată pașii simplificați:

• Pregătirea sistemului: Un qubit principal (fotonul de test) este pus în entanglement maxim cu primul qubit ancilar (albastru) folosind o poartă CNOT (o operație cuantică care leagă stările lor). Asta înseamnă că stările lor sunt corelate: dacă măsori unul, știi instant starea celuilalt, indiferent de distanță.
• Selecția pentru splitter-ul de intrare (primul): Ei folosesc o poartă Hadamard opțională (H4) pentru a decide baza de măsurare a qubit-ului ancilar. Asta simulează “inserarea” sau “eliminarea” splitter-ului de intrare prin pregătirea unor stări cuantice diferite. Decizia se face târziu, după ce fotonul a trecut deja!
• Faza intermediară: Adaugă un shifter de fază reglabil (φ), care introduce o diferență de fază (e^{iφ}) pe o cale, similar cu o întârziere în undă.
• Selecția pentru splitter-ul de ieșire (al doilea): Al doilea qubit ancilar (roșu) controlează o altă poartă Hadamard (H3), și decizia se face cu o alegere cuantică târzie (folosind o altă poartă Hadamard, H2).
• Măsurarea: Detectează fotonii și repetă experimentul de multe ori pentru a vedea pattern-uri.

Rezultate cheie: Experimentul a arătat că dualitatea undă-particulă depinde de ambele selecții târzie – atât pentru intrare, cât și pentru ieșire. Dacă alegi să “inserezi” splitter-ele, vezi interferență (undă); dacă nu, vezi căi clare (particulă). Asta confirmă ideea lui Wheeler, dar o extinde: Măsurarea cuantică nu e doar despre “când”, ci și despre ordinea temporală și corelațiile spațio-temporale în lumea cuantică.

Materiale folosite: Fotonii ca qubiți, porți cuantice (Hadamard H1-H4, CNOT), un shifter de fază reglabil. Totul e optic, cu fotoni entanglementați.

4. Implicații și de ce e important

Acest experiment deschide uși noi pentru a studia dualitatea undă-particulă nu doar la lumină, ci și la materie (deși aici e cu fotoni). Ne ajută să înțelegem mai bine natura măsurării cuantice: Când și cum devine “real” ceva în lumea cuantică? Contestă ideea de realism clasic (că particulele au proprietăți fixe înainte de măsurare). Pe viitor, ar putea duce la experimente mai mari, poate cu entanglement la scară macroscopică, sau aplicații în calcul cuantic (unde entanglement-ul e esențial pentru computere cuantice super-rapide).

E mind-blowing, nu? Arată că universul cuantic e probabilistic și interdependent, nu deterministic ca în fizica clasică. Dacă ai întrebări – de exemplu, ce e exact o poartă Hadamard (transformă |0⟩ în (|0⟩ + |1⟩)/√2, creând superpoziție) sau cum funcționează entanglement-ul – spune! Articolul original e publicat în Science China Physics, Mechanics & Astronomy. 0