Esmakordselt on rahvusvaheline uurijate meeskond kaardistanud üksikute footonite täielikud trajektoorid kuulsas Young’i kahe pilu eksperimendis. Tulemused viivad olulise sammu võrra lähemale vastavate muutujate mõõtmiseni kvantsüsteemis, mida on praeguseni peetud võimatuks Heisenbergi määramatuse printsiibi tõttu.
Kahe pilu eksperimendis läidetakse valguskiir ekraanile läbi kahe pilu, mille tulemusena tekib ekraanile interferentspilt. Paradoksaalselt ei saa otsustada, kumba pilu üksikud footonid läbisid, kuna selle mõõtmine moonutaks otseselt ekraanil olevat interferentspilti. “Enamikus teadustöödes on võimalik vaadelda, mida süsteem parajasti teeb ning seega teha otsustusi selle mineviku või tuleviku kohta. Kvantmehaanikas peetakse aga mineviku käsitlemist kujuteldamatuks,” väidab füüsik Aephraim Steinberg, käesoleva uurimustöö juht, kirjutab Physicsworld.com.
3D diagramm üksiku footoni laine sarnasest käitumisest. Pilt: Krister Shalm, Boris Braverman
Kasutades uut tehnikat, mida tuntakse “nõrga mõõtmisena” (weak measurement), on Steinbergil ja tema meeskonnal oma sõnul õnnestunud täpselt mõõta üksikute footonite asukohta ja impulssi kahe pilu interferentsi katse käigus . Uurimustöö sai innustust Steinbergi kolleegilt, Howard Wisemanilt, kes pakkus 2007. aastal välja, et võib olla võimalik kasutada “nõrka mõõtmist” impulsside ja asukohtade kindlaks tegemiseks kahe pilu eksperimendis. Steinberg oli koheselt lummatud ning alustas uurimist, kuidas seda võiks eksperimentaalselt rakendada.
Pilguheit
“Nõrga mõõtmise” teooria, mis esitati esmakordselt 1988. aastal ning mida arendasid füüsiku Yakir Aharonovi ja tema uurimustöö meeskond, on viimaste aastate jooksul kogunud mõõdukat huvi. Teooria väidab, et on võimalik “nõrgalt” mõõta süsteemi ning seega koguda informatsiooni ühe omaduse kohta ilma komplementaarset omadust häirimata, mis mõjutaks terve süsteemi arengut. Kuigi igal mõõtmisel saadud informatsioon on minimaalne, annab mitme mõõtmiskorra keskmine täpse hinnangu mõõdetavale omadusele ilma lõplikku tulemust moonutamata.
Oma eksperimendis saatsid uurijad komplekti üksikuid footoneid läbi kahe pilu ning viisid läbi “nõrga mõõtmise” iga footoni impulsi ebatäpseks mõõtmiseks. See viidi läbi kasutades kaltsiidi tükki, mis käitub polariseerijana. Sõltuvalt levimise suunast on iga footon erinevalt polariseeritud ning katses käsitleti suunda olekufunktsioonina. Järgnevalt mõõdeti ülitäpselt lõplik asukoht, kus iga footon puudutas ekraani – antud juhul kaamerat. Tulemusena oli võimalik täpselt konstrueerida footonite voo mustreid, kombineerides mitmes kohas ebatäpselt mõõdetud asukohti ning iga footoni puhul täpselt mõõdetud impulsse.
“Nõrk impulsi mõõtmine ei häiri süsteemi nähtavalt ning interferentsi vaadeldakse endiselt. Mõlemaid mõõtmisi korrati suure hulga osakestega, saamaks piisavalt informatsiooni terve süsteemi kohta, kuid me ei häirinud lõpptulemust,” selgitab Steinberg. “Meie mõõdetud trajektoorid on püsivad, nagu Wiseman oli ennustanud, toetudes selliste mõjukate mõtlejate nagu David Bohm ja Louis de Broglie realistlikele, kuid ebatavalistele tõlgendustele kvantmehaanikast.”
Eksperimendis kasutatud üksikuid footoneid saadeti läbi vedela heeliumiga jahutatud InGaAs kvantpunkti, mida pumbatakse optiliselt laseriga. Kvantpunkt väljastas üksikuid footoneid 946-nanomeetrilisel lainepikkusel.
Minevik, olevik ja tulevik
Kahe piluga eksperiment mõjutas tugevalt duaalsusprintsiipi, mille kavandas Niels Bohr. Teooria väidab, et komplementaarsete muutujate vaatlemine, nagu näiteks osakeste sarnaseid trajektoore ja lainete sarnaseid interferentse kahe pilu eksperimendis, sõltub kasutatud mõõtmise tüübist – süsteem ei saa käituda üheaegselt osakese ja lainena. Steinbergi hiljutine eksperiment väidab, et see ei pruugi nii olla – süsteem võib käituda mõlemana.
Kas nii Einstein kui Bohr võiksid olla rahul või üllatunud, et see näiliselt võimatu mõõtmine on läbi viidud? “Ma ei usu, et Einstein oleks üllatunud. Samas ma ka ei usu, et see teeks teda üksiksüsteemide kvantmehaanika osas kindlamaks,” väidab Steinberg, seletades, et Einstein oli innukas mõõtma kvantsüsteemi kõiki parameetreid täpselt – miski, milleks me pole veel võimelised. “Bohriga on teine lugu. Kahtlen, kas tema kaasaegsed mõistsid, mida ta öelda tahtis,” väidab Steinberg. “Kuid võib-olla muudaks seesugune mõõtmine teda (Bohri) duaalsusprintsiibist kõneledes veidi enam ettevaatlikuks oma keelekasutuses.”
Teadusartikkel: “Observing the Average Trajectories of Single Photons in a Two-Slit Interferometer“