O interferômetro de Mach-Zender

O interferômetro de Mach-Zender demonstra algumas esquisitices da Física Quântica. É uma forma de entender a dualidade Onda-Partícula, e também o efeito da medição.

Este foi realizado em 1892, por Ludwig Zehnder e Ludwig Mach (filho de Ernst Mach, da velocidade Mach).

Uma fonte (F) dispara um laser (feixe de fótons com fase coerente), atingindo um espelho semirrefletor.

O espelho semirrefletor pode ser calibrado de forma a refletir 50% dos fótons.

Há dois detectores, um para cada caminho possível dos fótons.

Cada detector vai captar metade das ocorrências, pelo arranjo acima. Até aí, nenhuma novidade.

Colocando um espelho em cada extremidade, só muda a direção dos feixes. Cada detector vai continuar capturando metade das ocorrências.

O que acontece se colocarmos um segundo espelho semirrefletor (S2)?

O senso comum diria que 50% das ocorrências vão a D1, e 50% a D2.

Porém, não é isso que ocorre.

Todas as ocorrências vão da D1, e nenhuma vai para D2, por conta de interferência destrutiva!

Para entender o que acontece, vamos utilizar a interpretação de ondas

Suponha que o semirrefletor (S1) cause uma defasagem de um quarto do comprimento de onda, para a onda refletida, e nenhuma defasagem para a onda que passa direto.

As ondas têm amplitude, frequência, e também uma componente chamada fase. A defasagem (ou diferença de fase) indica que duas ondas podem ter exatamente o mesmo formato, mas uma chegará primeiro que a outra.

Suponha que cada espelho do canto gere outro deslocamento de fase de um quarto de comprimento de onda.

Os espelhos e semirrefletores podem ser calibrados (espessura do vidro, material), de modo a gerar a diferença de fase desejada.

O segundo semirrefletor também gera deslocamento de fase de um quarto de comprimento de onda. As setinhas azul e laranja indicam a defasagem acumulada em cada ponto do circuito.

Dado o arranjo descrito, ocorre interferência construtiva em D1, e destrutiva em D2!

O gráfico a seguir mostra as duas ondas.

A defasagem induzida pelos semirefletores e espelhos podem mudar. Foi mostrado acima o caso extremo, para explicitar o comportamento de interferência.

Os gráficos a seguir são de um experimento de Grangier e Aspect. Mostram número de contagem de fótons por defasagem.

Um pensamento que pode vir à tona: ok, dá para aceitar o resultado acima, afinal um feixe de fótons se comporta como onda, e isso já era conhecido desde os experimentos de Thomas Young há 200 anos.

Porém, e se enviarmos um único fóton pelo interferômetro de Mach-Zender?

Não é trivial criar uma técnica para emitir um único fóton. Toda a aparelhagem necessária só foi possível na década de 1980, mas, enfim, é possível testar o conceito com um único fóton.

E o que acontece?

Exatamente o mesmo comportamento construtivo em D1 e destrutivo em D2!

É como se um único fóton interferisse com ele mesmo.

Se pensarmos no fóton como uma bola de canhão, é complicado pensar que este pode se dividir em dois, interferir consigo mesmo, e chegar em D1.

Mesmo sendo um único fóton, este se comporta como uma onda. A detecção final, nos detectores, ocorre como se fosse uma partícula, entretanto, o comportamento de interferência é de uma onda.

E se colocarmos alguma espécie de “olho”, para ver qual foi o caminho que o fóton tomou efetivamente?

Neste caso, a função de onda colapsa. Apenas o olho 1 ou o olho 2 detectam o fóton.

O fóton passa a se comportar como partícula. E há 50% de chance de disparar D1 e 50% de disparar D2!

O que mudou?

A medição afeta o experimento. É o princípio da incerteza de Heisenberg, de novo, em ação.

Este tipo de comportamento dá margem à várias interpretações no mundo da autoajuda: a consciência afeta o experimento, a vontade molda o universo ao seu favor, o mundo não seria o mesmo sem você. Até onde eu consigo interpretar, colapsar a função de onda em nível subatômico não vai alterar o universo inteiro, que está pouco se lixando se você quer ou não!

De qualquer forma, o conceito de dualidade onda-partícula, superposição e interferência são importantes para entender o que ocorre, em computação quântica.

Veja também:

Originally published at http://informacaoquantica.wordpress.com on August 18, 2020.

Project Manager on Analytics and Innovation. “Samurai of Analytics”. Passionate about Combinatorial Optimization, Philosophy and Quantum Computing.

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