Im Internet wird gemunkelt, dass durch Quantenverschränkung das „Tai-Chi-Diagramm“ entsteht. Ist das wieder Metaphysik? Die Wahrheit ist...

Vor einiger Zeit wurde im Internet ein Nachrichtenbericht über die Entstehung des „Tai Chi“-Musters durch Quantenverschränkung weit verbreitet. Dieses „Tai Chi“-Muster stammt aus einem Artikel in Nature Photonics.

(Link zum Artikel:

https://www.nature.com/articles/s41566-023-01272-3)

Allerdings behaupteten einige Leute im Internet, ohne der Wahrheit auf den Grund zu gehen, dass „Quantenverschränkung unerwartet das Tai-Chi-Diagramm hervorbringt und das Ende der Wissenschaft die Metaphysik ist“ und so weiter.

Tatsächlich wurde dieses „Tai-Chi-Diagramm“ im Rahmen eines Experiments künstlich erstellt.

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Der Schlüssel zur Entlarvung des Tai-Chi-Diagramm-Gerüchts: ein Pumplicht, das künstlich in die Form von Yin und Yang moduliert wird

Der Titel dieses Artikels wird ins Chinesische übersetzt als „Amplituden- und Phaseninterferenzbildgebung räumlicher Zwei-Photonen-Zustände“. Bei dem „Zwei-Photonen-Zustand“ handelt es sich hier um einen „quantenverschränkten Zustand“ . Die Autoren des Artikels kommen von der Universität Rom in Italien und der Universität Ottawa in Kanada. Laut der Zusammenfassung des Papiers haben die Forscher die Effizienz der holografischen Abbildung von Zwei-Photonen-Zuständen in Experimenten erheblich verbessert .

Zusammenfassung des Artikels „Amplitude and Phase Interferometry Imaging of Spatial Two-Photon States“ (Bildquelle: Screenshot des Artikels)

Das weit verbreitete „Tai Chi“-Diagramm ist Abbildung 6 dieses Dokuments. Wir haben Abbildung 6 erfasst und die wichtigsten Informationen gelb hervorgehoben. Die Schlüsselinformation ist: ein Pumplichtstrahl mit seiner eigenen Yin-Yang-Form (siehe Einschub).

Daher hat der Eingangspumpstrahl selbst die Form der kleinen Figur in der oberen rechten Ecke von Abbildung 6a. Abbildung 6a zeigt das Interferenzmuster des SPDC-Zustands, der durch das Referenzlicht bzw. das Pumplicht erzeugt wird, und Abbildung 6b zeigt die Form des Pumplichts, die durch das Interferenzmuster von a rekonstruiert wurde.

Der vollständige Name von SPDC lautet „Spontane parametrische Down-Conversion“, was beim Lesen etwas verwirrend ist. Alles, was Sie hier wissen müssen, ist, dass es sich dabei um die wichtigste Methode handelt, um Zwei-Photonen-Quantenverschränkung experimentell zu erzeugen. Konkret trifft ein Strahl Pumplicht mit relativ hoher Frequenz auf einen nichtlinearen Kristall und erzeugt kontinuierlich Paare verschränkter Photonen .

Aufgrund der Anforderungen der Impuls- und Energieerhaltung ist die Energie des erzeugten Photonenpaars gleich der Energie eines Pumplichtphotons (die Energie eines einzelnen Photons ist halb so groß wie die eines Pumplichtphotons, daher spricht man von einer Abwärtskonvertierung), und auch der Gesamtimpuls und der Drehimpuls des Photonenpaars sind gleich denen eines Pumplichtphotons. Auf diese Weise bildet das Photonenpaar einen quantenverschränkten Zustand, d. h., der Pfad und die Polarisationsrichtung (Spin-Drehimpuls) befinden sich in einem verschränkten Zustand.

Abbildung 6 von „Amplituden- und Phaseninterferenzbildgebung räumlicher Zwei-Photonen-Zustände“ ist das sogenannte „Tai-Chi-Diagramm“, das im Internet kursiert (Bildquelle: Screenshot des Dokuments).

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Wie erzeugt man „einen Pumplichtstrahl mit seiner eigenen Yin-Yang-Form“?

Als nächstes schauen wir uns an, wie „ein Pumplichtstrahl mit seiner eigenen Yin-Yang-Form“ erzeugt wird.

Abbildung 2 dieses Dokuments zeigt den Versuchsaufbau. Abbildung 2a ist das optische Pfaddiagramm dieses Experiments, wobei der grüne BBO-Kristall der für den SPDC-Prozess erforderliche nichtlineare Kristall ist. Der violette Lichtstrahl ist das Pumplicht und der rote Lichtstrahl sind die beiden verschränkten Photonen, die durch den Strahlteiler auf die beiden Einzelphotonenkameras treffen.

Bildquelle: Screenshot des Papiers

Bitte beachten Sie den gelb hervorgehobenen Text: Die Form des Pumplichts wird durch einen ultravioletten räumlichen Lichtmodulator (UV-SLM) erzeugt. Das heißt, der SLM ganz links in der Abbildung bestimmt die Form des Pumplichts. Da das Pumplicht eine Wellenlänge von 405 nm hat, wird zu seiner Modulation ein ultraviolettes SLM benötigt. Mit anderen Worten liegt der grundlegende Grund für die Yin-Yang-Tai-Chi-Form in Abbildung 6 darin, dass der SLM das Pumplicht (Wellenfront) in die Yin-Yang-Tai-Chi-Form bringt .

Der vollständige Name von SLM lautet räumlicher Lichtmodulator . Es handelt sich um einen neuen Typ von Lichtmodulationsgerät, das aus mehreren Pixeln besteht, die in einem zweidimensionalen Array im Raum angeordnet sind. Jedes Pixel kann unabhängig eine elektrische Signalsteuerung empfangen und seine eigenen optischen Eigenschaften entsprechend dem Signal ändern und dadurch das darauf befindliche Licht (die Wellenfront) modulieren. Der übliche SLM ist vom Flüssigkristalltyp, das heißt, er nutzt den elektrooptischen Effekt von Flüssigkristallmaterialien, um den Polarisationszustand, die Phase und die Intensität des Lichtstrahls zu ändern, indem er die Anordnung der Flüssigkristallmoleküle unter der Kontrolle eines Computerprogramms ändert. Beispielsweise kann die Lichtintensität durch die Durchlässigkeit moduliert werden, die Lichtphase durch den Brechungsindex, der Polarisationszustand durch Drehen der Polarisationsebene usw.

Das heißt, wir geben über einen Computer ein Yin-Yang-Tai-Chi-Diagramm in den SLM ein und dieser moduliert das Licht in eine zweidimensionale Verteilung des Yin-Yang-Tai-Chi-Musters . Wenn wir ein Katzenmuster in den SLM eingeben, moduliert er das Licht in eine zweidimensionale Verteilung in der Form einer Katze. Wenn wir beispielsweise ein Hundemuster in den SLM eingeben, wird das Licht in eine zweidimensionale Verteilung in der Form eines Hundes moduliert. Da der SLM jedoch über relativ wenige Pixel verfügt, ist die Anzeige komplexer Muster schwierig . Das Tai-Chi-Diagramm, ein Muster aus ineinander verschlungenen Yin- und Yang-Fischen, ist jedoch nicht kompliziert, sodass SLM das Pumplicht problemlos in diese Form modulieren kann. Dies könnte einer der Gründe sein, warum sich das Versuchsteam für das Tai-Chi-Diagramm entschieden hat.

Zusammenfassung

In der frühen Entwicklung der Quantenmechanik verwendete Niels Bohr, der „Fahnenträger“ der Quantenmechanik, einmal die „Yin- und Yang-Komplementarität“ des Tai-Chi-Diagramms, um sein „Komplementaritätsprinzip“ zu visualisieren. Dieser Ursprung könnte auch ein weiterer Grund sein, warum das Experimentalteam das Tai-Chi-Diagramm zur Modulation des Pumplichts wählte. Tatsächlich kann das Tai-Chi-Diagramm jedoch alle dualistischen Ideen visualisieren. Dies ist eine philosophische und keine physikalische Angelegenheit.

Kurz gesagt, die Quelle dieses Bildes liegt darin, dass das Versuchsteam das SLM-Gerät verwendet hat, um die Wellenfront des Pumplichts künstlich in die Form des Yin-Yang-Tai-Chi-Diagramms zu modulieren. Die beiden durch das Pumplicht im SPDC-Prozess erzeugten Photonen stören sich gegenseitig und die verbesserte holografische Technologie des Teams kann die Yin-Yang-Tai-Chi-Form aus dem Pumplicht schnell wiederherstellen. Von Anfang bis Ende ist das Tai-Chi-Diagramm von Menschenhand geschaffen und hat nichts mit der Natur der Quantenverschränkung zu tun.

Autor : Zhang Wenzhuo, PhD , Key Laboratory of Quantum Optics, Chinesische Akademie der Wissenschaften , Gründer und CEO von Quami Quantum, ehemaliges Mitglied des Quantensatellitenteams „ Micius “ der University of Science and Technology of China

Gutachter : Luo Huiqian, Forscher, Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: China Science and Technology Press Co., Ltd., China Science and Technology Publishing House (Beijing) Digital Media Co., Ltd.