6.11 Wheeler’s delayed choice experiment

Wheeler’s delayed-choice experiment (bron: Wikipedia)

If a single photon is emitted into the entry port of the apparatus at the lower-left corner, it immediately encounters a beam-splitter. Because of the equal probabilities for transmission or reflection the photon will either continue straight ahead, be reflected by the mirror at the lower-right corner, and be detected by the detector at the top of the apparatus, or it will be reflected by the beam-splitter, strike the mirror in the upper-left corner, and emerge into the detector at the right edge of the apparatus. Observing that photons show up in equal numbers at the two detectors, experimenters generally say that each photon has behaved as a particle from the time of its emission to the time of its detection, has traveled by either one path or the other, and further affirm that its wave nature has not been exhibited.

If the apparatus is changed so that a second beam splitter is placed in the upper-right corner, then part of the beams from each path will travel to the right, where they will combine to exhibit interference on a detection screen. Experimenters must explain these phenomena as consequences of the wave nature of light. Each photon must have traveled by both paths as a wave, because if each photon traveled as a particle along just one path then the many photons sent during the experiment would not produce an interference pattern.

Bij het bovenste experiment (bovenste plaatje) is de uitkomst een deeltjeseffect. Bij het onderste een golfeffect.

Het pad coderen als stiekeme waarneming
Een variatie op het tweede experiment is het plaatsen van een polarisatieplaat op één van de routes. Men noemt dit het pad coderen. Je voegt daarmee een extra interactie toe. Het gevolg is dat het foton zich niet meer als golf, maar alleen als deeltje gedraagt. Een interactie verandert (het gedrag van) het deeltje.

De relatie interpretatie
Het is ook mogelijk deze experimenten met een focus op relaties te bekijken. Daarbij is het foton dat in het experiment aankomt bij de eerste beam splitter verstrengeld met zijn bron, bijvoorbeeld een laser machine. Het collabeert met de beam splitter. Hierbij ontstaat een nieuwe superpositie waarin het foton op twee posities verstrengeld is met de beam splitter. Hierdoor kan de informatie van het foton minder makkelijk herverdelen in twee richtingen in plaats van één. De hoeveelheid informatie van het nieuwgevormde kwantumsysteem is gelijk aan de informatie van voor de collaps. Het kwantumsysteem vormt een ondeelbaar geheel dat informatie herverdeelt in alle richtingen behalve in de twee richtingen van de verstrengelingen met de beam splitter totdat onomkeerbaarheid onvermijdelijk wordt en een nieuwe collaps optreedt. Dat is het geval bij de spiegel. Na deze collaps is er opnieuw een andere superpositie ontstaan, dit keer met twee parallel verstrengelde richtingen. Bij de volgende spiegel is er nogmaals een collaps met alweer herverdeling van informatie. Tenslotte, aangekomen bij de uitgang van het experiment, zijn er twee mogelijkheden. Bij afwezigheid van een nieuwe beam splitter kan het foton niet met zichzelf interfereren en zal het collaberen in één van beide richtingen. Treft het wel een beam splitter, dan zal deze de gespleten superpositie opheffen en kan het foton wel met zichzelf interfereren. Bij detectie van een groot aantal fotonen zal een interferentiepatroon zichtbaar worden.

Het pad coderen in relatieperspectief
Wanneer een verstrengeld foton een polarisatieplaat op zijn route tegenkomt zal het hiermee collaberen en de uitkomst zal een foton met nog slechts één bronverstrengeling zijn. Zonder nieuwe beam splitters of spleetopstellingen kan dit foton niet met zichzelf interfereren en bij detectie wordt een zogenaamd ‘deeltjeseffect’ zichtbaar.

Hoe zit het met de grotere objecten van de experimenten? Zijn die ook verstrengeld?
Hoe zit het met de apparaten van het experiment? Zijn die ook verstrengeld met hun omgeving? Dat zou je mogen aannemen. Het is echter in deze experimenten niet te verifiëren, omdat ze groot en stabiel zijn. De effecten van verstrengeling van grotere objecten met hun omgeving beschrijft men ook wel als een heat bath. Net als bij een object dat de temperatuur van de omgeving aanneemt wisselt een object ook kwantuminformatie uit met de omgeving. Dit heet decoherentie.

De paradox golf en/of deeltje
‘Golf’ is een kwantumbegrip, ‘deeltje’ is een macroscopisch begrip. De paradox zit ‘m in de overgang van kwantumniveau naar macroniveau. Entropie veroorzaakt de verschuiving van kansverdeling en kansdichtheid naar deeltje. En van superpositie en verstrengeling naar isolatie en discrete getallen.

 

Kwantumniveau   ->    Macrosc. niveau

Golf        ->    Deeltje

Ψ         ->     0 of 1

Superpositie/verstrengeling  ->    Isolatie en discrete getallen