Detectie door een ‘spook’foton

Met de Mach-Zehnder interferometer is een interessant fenomeen op te roepen in een daadwerkelijk uitvoerbaar experiment voorgesteld door Elitzur en Valtmann in 1993. Met een Mach-Zehnder interferometer kan onderzocht of een object, bijvoorbeeld een lichtgevoelige bom, geplaatst is zonder licht op het object te hoeven laten vallen. Voor een uitgebreide beschrijving van de werking van de Mach-Zehnder verwijs ik naar een andere pagina op deze website. Lees die eventueel eerst even.

Mach-Zehnder interferometer, beide trajecten zijn even lang . Alle fotonen gaan naar D1. Klik op de figuur voor een full size afbeelding.

Bovenstaand is een normaal geconfigureerde Mach-Zehnder afgebeeld. Indien de weglengtes 1-2-4 en 1-3-4 gelijk zijn, dan ontvangt D1 alle licht en D2 ontvangt niets. Als we licht beschouwen als een EM-golf dan kan dat verklaard worden met constructieve (D1) respectievelijk destructieve (D2) interferentie van de bovenlangs en onderlangs lopende golven bij beamsplitter (halfdoorlatende spiegel) 4.

Wanneer we het beeld van licht als fotonen die een weg afleggen toepassen, dan wordt de uitdoving in D2 veel lastiger verklaarbaar want hoe kan een foton, een energiepakketje, twee wegen tegelijk afleggen?

Maar wanneer we de niet-fysieke toestandsfunctie – de kwantumgolf – toepassen dan betekent de destructieve interferentie bij D2 slechts dat de kans dat daar fotonen gedetecteerd worden nul is en dat daarom alle fotonen zich op D1 zullen manifesteren. Tot dusver is dit iets wat ik al elders – en uitgebreider – heb toegelicht.

De lichtgevoelige bom in de interferometer

Daarom wordt het interessant als we in een van de twee paden een blokkade (bijvoorbeeld een lichtgevoelige bom) aanbrengen. Zie onderstaande figuur. Ga nu even van uit van de volgende omstandigheden:

Elitzur en Valtmann lichtgevoelige bom in de Mach-Zehnder. Beide detectoren gaan af.
  • De experimentator weet dat de paden in de interferometer even lang zijn en dat de tweede beamsplitter is geplaatst zodat de configuratie gesloten is.
  • De experimentator kan niet in de interferometer kijken of daar wel of geen blokkade is aangebracht (dan gaat de lichtgevoelige bom beslist af).
  • De experimentator ziet alleen de registraties op D1 en D2 en kan de laser zo regelen dat hij één foton per keer kan afvuren.

25% kans op succes

Kan experimentator er nu toch achter komen of een van de twee paden is geblokkeerd? Zonder dat een eventueel aanwezige lichtgevoelige bom is afgegaan? Dat kan inderdaad. Maar wel met een ongunstige kans van 1:4 op succes. Niet zo best, maar beter dan niks.

Een foton dat bovenlangs gaat zal op de blokkade terecht komen. Noch D1 of D2 gaan dan af. De bom gaat nu wel af en dat is het einde van het verhaal. Gaat een foton echter onderlangs dan gaat de bom niet af. Of D1 óf D2 gaat af. Als D1 afgaat weet de experimentator ook nog niets want dat is het normale te verwachten gedrag van een niet geblokkeerde interferometer. Als D2 afgaat dan weet de experimentator echter met zekerheid dat er een blokkade is.

Het foton ‘detecteert’ de bom non-lokaal

Maar dat foton dat D2 laat afgaan is nooit in de buurt van de blokkade, de bom dus, geweest! De lichtgevoelige bom is gedetecteerd zonder dat die afging!

De kans dat een foton D2 bereikt is, vanwege de twee achtereenvolgende beamsplitters, nu 50% x 50% = 25%. Dus de experimentator komt er na een paar hits wel achter dat er een blokkade is. Als hij/zij geluk heeft meteen bij de eerste hit al, kans 1:4. Maar nu het ‘spook’achtige: hoe weet het foton dat bij beamsplitter 4 aankomt dat het nu wel een 50/50 kans heeft om naar D2 door te gaan? Het is namelijk aangekomen via de weg onderlangs en zou zich dus van geen blokkade bewust mogen zijn. Toch is het dat. Met andere woorden: voor een reizend foton dat onderlangs gaat zou er geen verschil mogen bestaan tussen wel of geen blokkade maar als die blokkade er niet is dan verandert het gedrag van het foton ineens in 100% reflectie naar D1.

Overigens is het raadsel opgelost wanneer je het golfmodel, EM-golf dan wel kwantumtoestandsgolf, hanteert. Vanwege de blokkade valt de mogelijkheid tot interferentie van de golf met zichzelf bij beamsplitter 4 weg. Een EM-golf is echter emergent gedrag van massa’s fotonen die elk gestuurd worden door hun eigen niet materiële kwantumtoestandsgolf. De aanname van fotonen die reizen leidt hier tot grote vragen. Is het foton bewust van zijn omgeving? Een minder vergaande interpretatie is dat het foton onderweg niet bestaat maar zich pas manifesteert op de detector.

De enige andere mij bekende kwantuminterpretatie die er ook van uit gaat dat het foton niet reist en dit verschijnsel zou verklaren is de Quantum Handshake interpretatie van John G. Cramer die uitgaat van kwantumgolven die vanaf de detector weer naar de laser terugreizen in de tijd. Maar die interpretatie heeft weer andere bezwaren. Onder andere dat de kwantumtoestandsgolf zelf toch ook bijdrage levert aan de overgebrachte energie en dus fysiek is. Als je daar meer van wil weten, verwijs ik naar zijn didactisch uitstekende boek ‘The Quantum Handshake’.

Ga verder in ‘Relativiteit en kwantumfysica: Kwantumzwaartekracht en Zwarte Gaten’.