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Experimento de três polarizadores de Dirac
Em seu livro didático de 1930 , Os Princípios da Mecânica Quântica , Paul Dirac introduziu os conceitos exclusivamente quânticos de superposição e indeterminação usando fótons polarizados.
Os exemplos de Dirac sugerem um experimento muito simples e barato para demonstrar as noções de estados quânticos , a representação de um dado vetor de estado em outro conjunto de vetores de base, a preparação de sistemas quânticos em estados com propriedades conhecidas e a medição de várias propriedades.
Medir um sistema novamente após prepará-lo
Qualquer aparelho de medição também é um sistema de preparação de estado . Sabemos que, após a medição de um fóton que demonstrou estar em um estado de polarização vertical, por exemplo, uma segunda medição com a mesma capacidade (de detecção de polarização vertical) mostrará que o fóton está no mesmo estado com probabilidade unitária. A mecânica quântica nem sempre é incerta. Também não há incerteza se medirmos o fóton polarizado verticalmente com um detector de polarização horizontal. A probabilidade de um fóton polarizado verticalmente passar por um polarizador horizontal é zero. Ele é completamente absorvido.
em um estado conhecido é uma medição de Pauli de primeira espécie. Como qualquer medição aumenta a quantidade de informação, deve haver um aumento compensatório na entropia absorvida ou irradiada pelo aparelho de medição. Este é o Princípio de Ludwig- Landauer . O conjunto de base natural de vetores é geralmente aquele cujos autovalores são as observáveis do nosso sistema de medição. Na notação de bra e ket de Dirac, os vetores de base ortogonais em nosso exemplo são | v >, o fóton em um estado polarizado verticalmente, e | h >, o fóton em um estado polarizado horizontalmente. Esses dois estados são autoestados do nosso aparato de medição. O caso interessante a considerar é um terceiro aparelho de medição que prepara um fóton em um estado diagonalmente polarizado a 45° entre | v > e | h >. Dirac nos diz que esse fóton polarizado diagonalmente pode ser representado como uma superposição de estados verticais e horizontais, com coeficientes de números complexos que representam " amplitudes de probabilidade ". Por isso,
| d > = ( 1/√2) | v > + ( 1/√2) | h > (1)
Note que os comprimentos dos vetores são normalizados para a unidade, e a soma dos quadrados das amplitudes de probabilidade também é igual a um. Esta é a condição de ortonormalidade necessária para interpretar os (quadrados das) funções de onda como probabilidades, conforme proposto inicialmente por Max Born em 1927. Quando esses coeficientes de números complexos são elevados ao quadrado (na verdade, quando são multiplicados por seus conjugados complexos para produzir números reais positivos), os números representam as probabilidades de encontrar o fóton em um ou outro estado, caso uma medição seja feita. O vetor bra de Dirac é o conjugado complexo do vetor ket correspondente. São essas amplitudes de probabilidade que interferem no experimento de dupla fenda . Para obter as probabilidades de encontrar um fóton, devemos elevar ao quadrado as amplitudes de probabilidade. Na verdade, devemos calcular o valor esperado de algum operador que represente uma observável . A probabilidade P de encontrar o fóton no estado |ψ> na localização (no espaço de configuração) r é
P( r ) = < ψ | r | ψ >
Nenhum experimento isolado consegue transmitir toda a maravilha e o caráter não intuitivo da mecânica quântica. Mas acreditamos que os exemplos simples de Dirac sobre fótons polarizados podem nos ensinar muito. Ele acreditava que seus exemplos simples forneciam uma boa introdução ao assunto, e nós concordamos. Os três polarizadores
Utilizamos três quadrados de material polarizador em forma de folha para ilustrar a explicação de Dirac sobre a superposição quântica de estados e o colapso de uma mistura de estados em um estado puro durante a medição ou preparação do estado .
Aqui estão as três folhas polarizadoras. Elas têm uma cor cinza neutra porque perdem metade da luz que as atravessa. A luz perdida é absorvida pelo polarizador, convertida em calor, e isso explica o ganho de entropia (de Boltzmann) necessário para obtermos a nova informação (entropia de Shannon) sobre o estado de polarização exato dos fótons transmitidos.
Na figura 2, os polarizadores A e B estão sobrepostos para mostrar que a mesma quantidade de luz passa por dois polarizadores, desde que a direção da polarização seja a mesma. O primeiro polarizador prepara o fóton em um determinado estado de polarização. O segundo, então, certamente o encontrará no mesmo estado. Digamos que a direção da polarização da luz seja vertical quando as letras estão na posição vertical.
Se um polarizador, digamos B, for girado 90°, sua direção de polarização será horizontal e, se estiver sobre o polarizador vertical A, nenhuma luz passará por ele, como podemos ver na figura 3.
A Maravilha e o Mistério do Polarizador Oblíquo
Como seria de esperar, qualquer experimento de mecânica quântica deve conter um elemento de "Uau, isso é impossível!", ou não chegaremos à diferença não intuitiva e única entre a mecânica quântica e a mecânica clássica do dia a dia. Então, vamos analisar o aspecto surpreendente do que Dirac está descobrindo e, em seguida, veremos como a mecânica quântica o explica. Giramos o terceiro polarizador C de modo que sua polarização fique ao longo da diagonal. Dirac nos diz que a função de onda da luz que passa por esse polarizador pode ser considerada como estando em um estado misto, uma superposição de estados verticais e horizontais. Como Einstein concordou, a informação sobre o estado exato em que o fóton será encontrado após uma medição não existe. Podemos realizar uma medição que detecta fótons polarizados verticalmente posicionando o polarizador vertical A em frente ao polarizador oblíquo C. Ou um fóton atravessa A, ou não. De forma semelhante, podemos posicionar o polarizador horizontal B em frente a C. Se detectarmos um fóton, ele estará polarizado horizontalmente. A partir da equação (1), vemos que a probabilidade de detectar um fóton polarizado diagonalmente por C, se nosso aparelho de medição (polarizador B) estiver medindo fótons polarizados horizontalmente, é 1/2. Da mesma forma, se fôssemos medir fótons polarizados verticalmente, teríamos a mesma probabilidade de 50% de detectar um fóton. Voltando aos polarizadores A e B cruzados em um ângulo de 90°, sabemos que nenhuma luz passa quando os cruzamos. Se segurarmos o polarizador C ao longo da diagonal de 45 graus e o colocarmos na frente (ou atrás) dos polarizadores cruzados, nada muda. Nenhuma luz passa. Mas aqui está a parte incrível e impossível. Se você inserir o polarizador C entre A e B ao longo de uma diagonal de 45 graus, alguma luz passará. Observe que C está posicionado entre A (na parte traseira) e B (na parte frontal).
Vamos começar removendo o polarizador A da parte traseira. Este é o polarizador que preparou o estado dos fótons no estado de polarização vertical | v >. A luz agora passa primeiro pelo polarizador C, que a prepara em um estado de polarização diagonal | d >. Lembramos da equação (1) que | d > é uma superposição dos vetores de base | v > e | h >. Apenas parte da luz diagonalmente polarizada proveniente de C atravessa o polarizador horizontal B.
Se A, em conjunto com B, bloqueia toda a luz, como é que adicionar outro filtro polarizador pode adicionar luz A quantidade de luz que entra é muito menor do que a que entra apenas por C. Veremos porquê. A explicação da física quântica
Vamos começar com o polarizador A na parte de trás. Ele prepara os fótons no estado de polarização vertical |v>. Se tivéssemos apenas o polarizador B, ele mediria os fótons horizontais. Nenhum fóton passa por A, então nenhum fóton passa por B. Quando interpomos C em um ângulo oblíquo, ele mede os fótons diagonais. Os fótons polarizados verticalmente que passam por A podem ser considerados em uma superposição de estados em um ângulo de 45 graus e um ângulo de -45 graus. Os fótons a -45 graus são absorvidos por C. Aqueles a +45 graus passam por C. C realiza uma medição de fótons a 45 graus. Também pode ser visto como uma preparação de fótons a 45 graus. Apenas metade dos fótons atravessa o polarizador C, mas eles foram preparados em um estado de polarização diagonal |d>. Os fótons verticais originais que passavam por A não tinham chance de passar por B, mas os fótons diagonais que passam por C (metade dos fótons originais) agora podem ser considerados como uma superposição linear de fótons verticais e horizontais, e os fótons horizontais agora podem passar por B. Aqueles polarizados verticalmente serão absorvidos por B, como de costume. Lembre-se da equação (1) que |d> é uma superposição dos vetores de base |v> e |h>, com coeficientes 1/√2, que quando elevados ao quadrado nos dão probabilidades 1/2. Cinquenta por cento desses fótons que emergem de C passarão por B. Um quarto, ou 25%, dos fótons originais de A conseguem passar. Isso acontece se enviarmos apenas um fóton por vez, assim como no experimento da dupla fenda. Da mesma forma que não podemos afirmar que o fóton passa por uma fenda específica, não podemos saber em que estado um fóton polarizado específico se encontra após passar por C. Estatisticamente, ele está em polarização horizontal ou vertical. Quando uma medição é feita pelo polarizador B, metade dos 25% que passaram por C passarão por B, ou seja, um oitavo da luz original. Descrição dos três polarizadores por Dirac
No capítulo 1 de seu livro Os Princípios da Mecânica Quântica , Paul Dirac descreve o experimento. ( texto completo do Capítulo 1 ) da seção 2, A polarização dos fótons, pp. 5-7 Dirac descreve a superposição de estados com comentários adicionais sobre a indeterminação.
Animamos a ideia de Dirac de introduzir um polarizador oblíquo entre os dois polarizadores cruzados A e B que bloqueiam toda a luz. A adição desse filtro permite, na verdade, a passagem de mais fótons, o que é contra-intuitivo.
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