El detector de bombas de Elitzur y Vaidman

Detector de bombas de Elitzur-Vaidman
Detector de bombas de Elitzur-Vaidman.

Medida sin interacción

Fuente: entrada basada en el artículo:

Kwiat, H. Weinfurter y A. Zeilinger, Visión cuántica en la oscuridad, Investigación y Ciencia, Temas 10, pp. 91-97.

¿Es posible detectar la presencia de un objeto «sin que se produzca una interacción con él»? (es decir, sin hacer colisionar con él al menos un cuanto de energía: esta terminología, usual en el campo, es bastante discutible y problemática).

En 1993, A. Elitzur y L. Vaidman propusieron el siguiente problema:
¿cómo saber si hay una bomba oculta, que detona con la mínima interacción, sin arriesgarse a su explosión?
-o, con menos dramatismo:

¿cómo averiguar si hay una piedra en un camino sin tropezar con ella?

 A. C. Elitzur and L. Vaidman, Foundations of Physics 23 (1993) 987.

 L. Vaidman, The meaning of The Interaction-Free measurements

 R. H. Dicke, American Journal of Physics, 49 (1981) 925.

 L. Vaidman, Interaction-Free measurements, Arxiv:

http://arxiv.org/pdf/quant-ph/9610033.pdf

 L. Vaidman: http://www.tau.ac.il/~vaidman/lvhp/m106.pdf

 White et al; Interaction free-Imaging

 Recordemos el montaje de la doble rendija a la Mach-Zehnder:

 Ajustando los caminos ópticos, el montaje equivale a la doble rendija: en interferencia, caminos indistinguibles, sólo 1 detector específico señala (siempre el mismo, el D-Luz); con detección de camino (sin segundo divisor), la luz alcanza los dos, al 50% aleatorio, nunca a la vez (también fotón a fotón).

Imagen: Wikipedia.

-Supongamos ahora que un obstáculo se interpone en uno de los dos caminos o brazos del interferómetro:

Imagen: Wikipedia.

 Con el obstáculo interpuesto, los caminos son distinguibles: el fotón «elige uno de los dos caminos» (¡se trata sólo de un RELATO!) y no se producen interferencias.

-En el 50% de los casos, el fotón elige el camino de la piedra y tropieza (la bomba explota), no llegando a ningún detector: no útil.

-En el otro 50%, la mitad de las veces el fotón elige el camino sin obstáculos, y, puesto que ya no hay interferencias, al tener caminos distinguibles, el segundo divisor lo manda, aleatoriamente, a uno de los dos detectores (25% para cada uno).
Si va al detector-luz, no es útil: habría llegado a él también sin obstáculo.

 Pero en el 25% de los casos restantes, en que el fotón llega al detector-oscuridad, habiendo ido por el camino despejado, entonces sabemos, ¡sin interacción alguna!, que había un obstáculo en el camino.

Imagen: Wiki fuente.

 Un experimento realizado:

 P. Kwiat, H. Weinfurter, T. Herzog and A. Zeilinger, Interaction-Free Measurement, Phys. Rev. Lett. 74 (1995) 4763.

-Nota: Se consigue pasar del 25%, hasta un 50%, usando un divisor sin apenas reflexión, haciendo intervenir el «efecto Zenón cuántico«,

 Experimento de efecto Zenón con iones de berilio: W.M. Itano, D.J. Heinzen, J.J. Bollinger and D.J. Wineland, Quantum Zeno effect, Physical Review A41-5 (1990) 2295-2300: https://tf.nist.gov/general/pdf/858.pdf.

La medición afecta al resultado, de modo que un sistema cuántico puede quedar atrapado en su estado inicial, aun cuando dejado a su aire hubiera evolucionado hacia otro; véase también de nuevo:

P. Kwiat, H. Weinfurter y A. Zeilinger, «Visión cuántica en la oscuridad», Investigación y Ciencia, Temas 10, pp. 94-96.

 Aplicaciones:

Fotografías sin exponer los objetos a la luz:
(¿radiografías sin irradiar a los pacientes?… ¡improbable por las \lambda  involucradas!).

 A.G. White, J.R. Mitchell, O. Nairz, P.G. Kwiat: «Interaction-free» imagingPhys. Rev. A 58 (1998) 605-613.

Abstract: Using the complementary wavelike and particle-like natures of photons, it is possible to make «interaction-free» measurements where the presence of an object can be determined with no photons being absorbed. We investigated several «interaction-free» ‘imaging’ systems, i.e., systems that allow optical imaging of photosensitive objects with less than the classically expected amount of light being absorbed or scattered by the object. With the most promising system, we obtained high-resolution (10-\mum), one-dimensional profiles of a variety of objects (human hair, glass and metal wires, and cloth fibers) by raster scanning each object through the system. We discuss possible applications and the present and future limits for interaction-free imaging.

 R.S. Aspden, D.S. Tasca, R.W. Boyd and M.J. Padgett: EPR-based ghost imaging using a single-photon-sensitive camera ; New Journal of Physics (open access):
 Abstract: Correlated photon imaging, popularly known as ghost imaging, is a technique whereby an image is formed from light that has never interacted with the object. In ghost imaging experiments, two correlated light fields are produced. One of these fields illuminates the object, and the other field is measured by a spatially resolving detector. In the quantum regime, these correlated light fields are produced by entangled photons created by spontaneous parametric down-conversion. To date, all correlated photon ghost imaging experiments have scanned a single-pixel detector through the field of view to obtain spatial information. However, scanning leads to poor sampling efficiency, which scales inversely with the number of pixels, N, in the image. In this work, we overcome this limitation by using a time-gated camera to record the single-photon events across the full scene. We obtain high-contrast images, 90%, in either the image plane or the far field of the photon pair source, taking advantage of the Einstein-Podolsky-Rosen-like correlations in position and momentum of the photon pairs. Our images contain a large number of modes, >500, creating opportunities in low-light-level imaging and in quantum information processing.

Bibliografía

 Kwiat, H. Weinfurter y A. Zeilinger, Visión cuántica en la oscuridad, Investigación y Ciencia, Temas 10, pp. 91-97.

 Una divulgación completa: http://eltamiz.com/2010/07/21/cuantica-sin-formulas-el-detector-de-bombas-de-elitzur-vaidman/

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