[论文解读] An ideal experiment to determine the 'past of a particle' in the nested Mach-Zehnder Interferometer

Li, Fu, Hashmi, F. A.+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2014

Quantum Mechanics and Applications被引用 14

一句话总结

本文提出了一项理想的量子非破坏性测量（QND）实验，利用标准量子力学确定嵌套马赫-曾德尔干涉仪中光子的过去轨迹。与会扰及干涉的弱测量不同，该QND设置保留了暗端口的相消干涉，揭示出当光子被探测到时，其仅通过外臂，且在内干涉仪中未留下任何痕迹——这与两态矢量形式（TSVF）声称光子‘存在于’前后演化波函数重叠区域的说法相矛盾。

ABSTRACT

An ideal experiment is designed to determine the past of a particle in the nested Mach-Zehnder interferometer (MZI) by using standard quantum mechanics with quantum non-demolition measurements. We find that when the photon reaches the detector, it only follows one arm of the outer interferometer and leaves no trace in the inner MZI; while when it goes through the inner MZI, it cannot reach the detector. Our result obtained from the standard quantum mechanics is contradict to the statement based on two state vector formulism, "the photon did not enter the (inner) interferometer, the photon never left the interferometer, but it was there". Therefore, the statement and also the overlap claim are incorrect.

研究动机与目标

• 解决关于嵌套马赫-曾德尔干涉仪中量子粒子‘过去’的争议。
• 检验两态矢量形式（TSVF）声称光子存在于前向与后向演化波函数重叠区域的正确性。
• 设计一种实验，通过量子非破坏性（QND）测量揭示路径信息，而不扰动量子干涉。
• 挑战光子‘存在于’内干涉仪中尽管未对探测结果产生贡献的解释。

提出的方法

• 引入一种使用第三干涉仪和相干探测场的QND测量方案，以探测光子是否存在于内马赫-曾德尔干涉仪中。
• 在内干涉仪路径中使用克尔介质，通过与非线性系数χ(3)成正比的相移实现弱相互作用，避免波函数坍缩。
• 采用前向与后向演化波函数建模系统，后向演化由探测器处的终态推导得出。
• 使用态矢量和湮灭/产生算符，在三个阶段（L1、L2、L3）分析系统，以追踪光子振幅。
• 推导各阶段的最终态，表明只有当光子通过内干涉仪时，相干探测场才会获得相移。
• 利用探测场在探测器处产生的干涉条纹，确定光子是否通过内干涉仪，且不扰动主干涉条纹。

实验结果

研究问题

• RQ1 在嵌套马赫-曾德尔干涉仪中，触发主探测器的光子是否实际通过了内干涉仪？
• RQ2 能否在不扰动暗端口相消干涉的情况下提取路径信息？
• RQ3 TSVF声称‘光子存在于’前向与后向演化态重叠区域的说法是否成立？
• RQ4 光子存在于内干涉仪中是否会在主探测器处产生可探测信号？
• RQ5 量子非破坏性测量能否解决标准量子力学与TSVF预测之间的矛盾？

主要发现

• 在主探测器被探测到的光子仅通过嵌套马赫-曾德尔干涉仪的外臂，且在内干涉仪中未留下任何痕迹。
• 当光子通过内干涉仪时，由于暗端口的相消干涉，其无法到达主探测器。
• QND测量保留了暗端口的相消干涉，而弱测量则会导致泄漏与扰动。
• 后向演化波函数表明，光子从探测器向源头发散时，无法在内干涉仪中留下痕迹。
• 基于标准量子力学推导出的结果与TSVF声称光子存在于前向与后向演化态重叠区域的说法相矛盾。
• 该矛盾表明TSVF关于重叠区域的主张是错误的，需对形式化体系进行重新评估。