В общем смысле фотон можно считать неделимой частицей. Но так это не потому, что его «нельзя расколоть», а потому что он уже является минимальным квантом поля, ниже которого просто не остаётся понятия делить.
Мы ведь помним, что сам по себе квант - это и есть минимальный пакет энергии и сама логика проваливается. В таких рассуждениях мы отталкиваемся от логики Планка и говорим, что природа просто не умеет работать с величинами, меньше Планковских. По Планку квант - это и есть тот минимальный пакет, которого не может стать ещё меньше.
Но если вы интересуетесь темой квантового мира, то, вероятно, знаете, что запутанные частицы получают часто именно таким образом. Ученые делят фотон и получаются фотоны связанные. Ещё подобные разговоры идут при проверке явлений из мира квантов, например, когда свойства отделяли от частицы в изучении чеширского квантового кота. Как же тогда фотон делится и о чём вообще речь?
Если направить одну «неделимую» частицу света в специальный кристалл, то примерно одна из миллиарда расщепится пополам. Это редкое событие и является ключом к созданию квантовой запутанности.
Процесс расщепления фотона формально называется спонтанным параметрическим преобразованием вниз. Он происходит, когда высокоэнергетический фотон, например, частица синего или ультрафиолетового света, направляется в нелинейный оптический кристалл, такой как бета-борат бария.
Атомная структура этого кристалла взаимодействует с падающим светом необычным образом. Большинство фотонов проходят прямо сквозь него, но примерно один из миллиарда взаимодействует с кристаллической решеткой и расщепляется на два фотона с более низкой энергией.
Поскольку Вселенная требует сохранения энергии и импульса, сумма энергии, импульса и поляризации этих двух «дочерних» фотонов должна в точности соответствовать энергии, импульсу и поляризации исходного «родительского» фотона. Если ультрафиолетовый фотон расщепляется, он может образовать два красных фотона, каждый из которых несет ровно половину исходной энергии.
Очень важно понимать, что в нелинейном кристалле свет описывается уже не просто как «летящие фотоны», а как возбуждение электромагнитного поля, которое взаимодействует с кристаллом. Кристалл обладает нелинейной оптической восприимчивостью и это значит, что он может «смешивать» частоты.
Потому один входной фотон с частотой может породить два новых фотона.
Момент, который я сам долго не понимал, тут в том, что это не деление одного и того же фотона. Это поедание исходного фотона кристаллом и возникновение на выходе двух новых. Старый фотон не «распадается», а аннигилируется, создавая новое квантовое состояние поля.
После этого вступает в игру квантовая запутанность. Поскольку два дочерних фотона родились из одного события, их свойства глубоко и навсегда связаны.
Согласно квантовой механике, до тех пор, пока один из этих фотонов не будет измерен, ни один из них не обладает определенным состоянием. Вместо этого они оба существуют в размытом спектре вероятностей. Однако в тот момент, когда наблюдатель измеряет поляризацию первого фотона, второй фотон мгновенно переходит в комплементарное состояние.
Если первый фотон оказывается горизонтально поляризованным, то второй фотон должен быть вертикально поляризованным, чтобы сохранить свойства исходного фотона.
Эта мгновенная корреляция происходит независимо от физического расстояния между двумя частицами. Независимо от того, разделены ли фотоны несколькими дюймами на оптическом стенде или разбросаны по противоположным концам галактики, измерение одного немедленно определяет другой. Процесс расщепления одной частицы света обеспечивает общую физическую историю происхождения, неразрывно связывая две частицы вместе в пространстве и времени. Так и рождается квантовая запутанность.
Не забывайте ставить лайки статье и подписываться! Это очень важно для развития проекта, а вы будете видеть ещё больше интересных статей в ленте! На канале есть премиум, где много интересного.