verschränkte Photonen in Lichtleitern


Licht ist eines der wichtigsten physikalischen Phänomene des Alltags. Auch die speziellen Eigenschaften des Lasers erobern mehr und mehr den Alltag. Hier können wir Fragen zum Licht erläutern.

Pi-Meson

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Beitrag Mi 29. Feb 2012, 14:34

verschränkte Photonen in Lichtleitern

Man liest ja gelegentlich von Experimenten, in denen verschränkte Photonenpaare über Kilometer in Lichtleitern transportiert werden.

Wenn es nun so wäre (wie man es meist liest), dass jede Wechselwirkung mit der Umgebung Verschränkungen aufhebt ("dekohäriert"), dann könnten solche Experimente offensichtlich nicht möglich sein, denn die Photonen erfahren auf ihrem Weg durch den Lichtleiter unentwegt Totalreflexion, was sicher als Wechselwirkung angesehen werden muss.

Es ist also offenbar nicht so simpel, dass jede Wechselwirkung jede Art von Verschränkung aufhebt. Anscheinend "überlebt" die Verschränkung eines via zirkular Polarisation verschränkten Photonenpaares die Totalreflexion am Rand eines Lichtwellenleiters.

Weiss da jemand, ob das richtig ist und warum das so ist?
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langlebiges Kaon

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Beitrag Mi 29. Feb 2012, 14:40

Re: verschränkte Photonen in Lichtleitern

Hallo Hawkwind,

ja, man kann Lichtwellenleiter bauen, die polarisationserhaltend sind. Sie halten die Polarisation der durchlaufenden Lichtwellen und entziehen, wegen der Totalreflexion, keine Energie. Man muss grundsätzlich zwischen Wechelwirkungen unterscheiden, die die Kohärenz zerstören, und solchen, die Kohärenz erhalten. Eine totale Reflexion erhält die Kohärenz, Absorption in einem Gas zum Beispiel würde die Kohärenz zerstören.

Gruß,
Joachim

Pi-Meson

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Beitrag Mi 29. Feb 2012, 15:48

Re: verschränkte Photonen in Lichtleitern

Vielen Dank für die schnelle Antwort, Joachim.

Die Energie mag ja bei Totalreflexion erhalten bleiben, es findet aber doch i.a. ein Impulsaustausch mit der Umgebung (also dem Lichtwellenleiter) statt, denn es gibt ja eine Richtungsänderung.

Offenbar kommt in Lichtwellenleitern noch hinzu, dass die Totalreflexionen am Rand als "infinitesimal klein" angesehen werden können ... also mehr als eine Art "kontinuierlicher Richtungsänderung", was mein Gegenargument von oben entkräftet (falls es denn überhaupt eins ist).

So verstehe ich es hier
http://www.univie.ac.at/qfp/publication ... amdiss.pdf
zumindest Kap. 1.6.6.

Ich vermute, für Totalreflexionen ganz allgemein trifft es nicht zu, dass dabei die Verschränkung von Photonenpaaren aufrecht erhalten bleibt. Es muss sich schon um "infinitesimal kleine" Reflexionen handeln. Habe ich das so recht verstanden?

Danke & Gruß,
Hawkwind
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langlebiges Kaon

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Beitrag Do 1. Mär 2012, 08:47

Re: verschränkte Photonen in Lichtleitern

Hallo Hawkwind,

Impulsübertrag ist nicht das Problem. Es geht darum, ob Information über das System dissipiert wird. Wenn irgendwelche statistischen Prozesse involviert sind und die Wellenfunktion irreparabel gestört wird, dann geht Kohärenz und damit auch Verschränkung verloren. Wenn die Reflexionen dagegen streng Deterministisch sind, so dass die auslaufende Wellenfunktion eindeutig aus der einlaufenden errechenbar ist, dann bleiben alle Korrelationen erhalten.

Gruß,
Joachim

Pi-Meson

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Beitrag Do 1. Mär 2012, 13:05

Re: verschränkte Photonen in Lichtleitern

Hi Joachim,

Joachim hat geschrieben:Hallo Hawkwind,

... Wenn die Reflexionen dagegen streng Deterministisch sind, so dass die auslaufende Wellenfunktion eindeutig aus der einlaufenden errechenbar ist, dann bleiben alle Korrelationen erhalten.
...


Mit der Wellenfunktion ist das ja so eine Sache: meines Wissens besteht nicht einmal Einigkeit unter den Theoretikern darüber, ob die Wellenfunktion eines Photons überhaupt existiert; ganz zu schweigen davon, wie man sie berechnet.

Mir ist - ehrlich gesagt - immer noch nicht klar, wann eine Reflexion "streng deterministisch" ist und wann nicht.

Reflexion bedeutet ja auf Quantenebene immer Absorption und anschließende (Re-)Emission. Dieses Bild macht es mir schwer, mir vorzustellen, wie solch ein Prozess eine Verschränkung des absorbierten (und re-emittierten) Photons aufrecht erhalten kann.

Gruß,
Hawkwind
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langlebiges Kaon

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Beitrag Do 1. Mär 2012, 14:48

Re: verschränkte Photonen in Lichtleitern

Hawkwind hat geschrieben:Reflexion bedeutet ja auf Quantenebene immer Absorption und anschließende (Re-)Emission.


Das Bild ist falsch. Eine Reflexion ist ein Vorgang, bei dem die Welle unter Erhaltung der Phasenlage ihre Richtung wechselt. Das hat erstmal nichts mit der Frage zu tun, ob es Ein-Photonen-Wellenfunktionen gibt, denn es funktioniert genau so auch mit klassischen Wellen. Das Photon hat nun mal alle Eigenschaften einer klassischen Welle plus noch ein paar Quanteneigenschaften.

Gruß,
Joachim

Pi-Meson

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Beitrag Do 1. Mär 2012, 20:14

Re: verschränkte Photonen in Lichtleitern

Hi Joachim,

Joachim hat geschrieben:
Hawkwind hat geschrieben:Reflexion bedeutet ja auf Quantenebene immer Absorption und anschließende (Re-)Emission.


Das Bild ist falsch. Eine Reflexion ist ein Vorgang, bei dem die Welle unter Erhaltung der Phasenlage ihre Richtung wechselt. Das hat erstmal nichts mit der Frage zu tun, ob es Ein-Photonen-Wellenfunktionen gibt, denn es funktioniert genau so auch mit klassischen Wellen. Das Photon hat nun mal alle Eigenschaften einer klassischen Welle plus noch ein paar Quanteneigenschaften.

Gruß,
Joachim


Ja, genau das verwirrt mich immer wieder: mein Eindruck ist, in der Quanten-Optik vermischt man immer wieder quantentheoretische und klassische Beschreibung gerade so wie es am besten passt, um etwas zu erklären. Mag ja didaktisch auch ganz sinnvoll sein.
Will man eine konsistente durchgängig quantentheoretische Beschreibung, dann ist die Theorie, um die Wechselwirkung von Materie und Licht zu beschreiben, sicher die Quantenelektrodynamik. In dieser Theorie gibt es nur einen einzigen fundamentalen Vertex

Bild

... nämlich das unterste Bildchen. Daraus geht klar hervor, wenn immer Licht wechselwirkt mit Materie, dann entsteht oder vergeht zwangsläufig ein Photon.
Und wenn das Licht im Lichtleiter seine Richtung ändert, dann liegt zweifellos eine Wechselwirkung vor.

Je mehr ich darüber nachdenke, desto mysteriöser wird mir, dass diese Wechselwirkung eine Verschränkung nicht aufheben soll.

Sorry für die Penetranz ... :)

Gruß,
Hawkwind

___
PS. Ich bezweifel natürlich nicht, dass du recht hast. Man liest ja immer wieder, dass es so ist.
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langlebiges Kaon

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Beitrag Do 1. Mär 2012, 20:34

Re: verschränkte Photonen in Lichtleitern

Hmm, ich seh leider kein Bild und möchte nicht etwas auf das Bild antworten, das ich hier vermute. Hast zu vielleicht einen funktionierenden Link?

Gruß,
Joachim

Pi-Meson

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Beitrag Fr 2. Mär 2012, 10:10

Re: verschränkte Photonen in Lichtleitern

Mojn Joachim,

Joachim hat geschrieben:Hmm, ich seh leider kein Bild und möchte nicht etwas auf das Bild antworten, das ich hier vermute. Hast zu vielleicht einen funktionierenden Link?

Gruß,
Joachim


Ach so, das siehst du nicht?

Das war aus dem Beitrag über QED im englischsprachigen Wiki, d.h. von hier
http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_electrodynamics

im Abschnitt "Feynman diagrams" das Bild, wie ein Photon an eine Elektronlinie koppelt. Daraus folgt, bei jeder Wechselwirkung endet (oder beginnt) eine Photonlinie.
In der QED existiert kein Prozess mit derselben Photonlinie im Aus- wie im Eingangszustand.

Gruß,
Hawkwind
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langlebiges Kaon

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Beitrag Fr 2. Mär 2012, 10:27

Re: verschränkte Photonen in Lichtleitern

Hallo Hawkwind,

du hattest offenbar auf eine lokale Kopie auf deinem Rechner verlinkt. Ich habe das jetzt korriert, so dass wir alle sehen. Dein Bild ist unvollständig. Hier ist das Diagramm der vollständigen elastischen Streuung:

Bild

Man muss bei Feynman-Diagrammen etwas aufpassen. Sie beschreiben nicht klassische Teilchen, sondern Streuamplituden. Die inneren Linien bedeuten Rechenvorschriften, nach denen alle Erhaltungsgrößen (Impulse, Energien, Spins) von dem einen Knoten zu dem anderen Knoten übertragen werden. Dabei ist immer auch die Kohärenz erhalten und alle quantenmechanischen Effekte. Außerdem vergeht hier von dem einen zum nächsten Knoten nicht unbedingt Zeit. Die beiden Knoten können nicht ohne Verlusst von Information einfach separat betrachten werden. Es bedeutet einfach was anderes, als eine Absorption und eine unabhängige Emission.

Gruß,
Joachim

Pi-Meson

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Beitrag Mi 7. Mär 2012, 14:04

Re: verschränkte Photonen in Lichtleitern

Hallo Joachim,

Joachim hat geschrieben:Hallo Hawkwind,

du hattest offenbar auf eine lokale Kopie auf deinem Rechner verlinkt. Ich habe das jetzt korriert, so dass wir alle sehen. Dein Bild ist unvollständig.


Nein, "mein Bild" skizzierte halt lediglich den elementaren Vertex der Quantenelektrodynamik, die elementare Kopplung. Dass du mehrere davon aneinanderfügen musst, um Feynmangraphen für reale Prozesse zu bekommen (und dann ggf. eine ganze Anzahl von Graphen, die kohärent zu summieren sind), das war mir schon bewusst.
Mir ging es lediglich darum, zu veranschaulichen, dass eine jede Reflexion von Licht zwangsläufig eine Wechselwirkung mit der Umgebung darstellt (hier mit dem Lichtleiter) - ganz unabhängig davon wie elastisch dieser "Stoß" auch sein mag.


Joachim hat geschrieben:...
Es bedeutet einfach was anderes, als eine Absorption und eine unabhängige Emission.


Es ist natürlich richtig, dass diese Bilder keine voneinander unabhängige Absorption und Re-Emission darstellen.
Aber dennoch; es liegt zweifellos eine Wechselwirkung mit der Umgebung vor und zwar eine "08/15-WW der Q.E.D." und diese sollte nach dem Dekohärenzansatz der Verschränkung entgegen wirken. Ich wüsste nicht, mit welchem Argument überhaupt eine WW dekohärieren sollte, wenn nicht diese auch.

Nachdem ich inzwischen eine ganze Reihe von Papieren zu Dekohärenz (Zurek etc.) und zu Experimenten überflogen habe, denke ich, dass auch in diesen Experimenten Dekohärenz eine Rolle spielt; sie wird auch oft von den Experimentatoren quantitativ diskutiert: typische Dekohärenzzeiten gegen andere für den Versuch typische Zeiten etc..
Nur als Beispiel

Tittel & Weihs:
Photonic Entanglement for Fundamental Tests and Quantum Communication

While massive particles — prone to decoherence — are used for experiments oft he first kind, it was again photons that served for experiments ...
...
photons still play an outstanding role whenever it comes to experiments employing entanglement. They are best suited as a carrier of quantum information since decoherence effects due to interaction with the environment are very small.
...


Das liegt wohl daran, dass z.B. nach Zurek

WH Zurek - Reviews of Modern Physics, 2003

DECOHERENCE, EINSELECTION, AND THE QUANTUM ORIGINS OF THE CLASSICAL

Dekohärenzzeiten typischerweise mit der Masse der beteiligten Quanten fallen. Aus diesem Grunde eigenen sich wohl einzig Photonen für den Transport von Verschränkungen über makroskopische Distanzen.


Gruß,
Hawkwind

Proton

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Beitrag Do 8. Mär 2012, 09:42

Re: verschränkte Photonen in Lichtleitern

Joachim hat geschrieben:Hmm, ich seh leider kein Bild und möchte nicht etwas auf das Bild antworten, das ich hier vermute. Hast zu vielleicht einen funktionierenden Link?

Sonderbar, ich schon.

Hier ist Hawkwind's Bild nochmal:

Bild
Aber wahrscheinlich siehst Du es wieder nicht.

Hier der Link ohne img: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/c ... _rules.jpg

Gruß, Timm
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langlebiges Kaon

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Beitrag Do 8. Mär 2012, 10:23

Re: verschränkte Photonen in Lichtleitern

Hallo Timm,

ich hatte es doch schon repariert. Jetzt sehe ich das Bild zwei Mal.

Hallo Hawkwind,

du musst mir natürlich nicht glauben. Dekohärenz tritt dann auf, wenn Informationen an viele Quanten im Hintergrund gestreut werden. Wenn also weitere auslaufende Linien vorhanden sind, die Polarisation "davontragen". In dem von mir gezeigten Bild ist das nicht der Fall. Es tritt nur eine innere Linie auf, die von der virtuellen Vernichtung zur Wiedererzeugung des Photons führt. Aus Erhaltungssätzen folgt, dass das gestreute Photon die Kohärenzeigenschaften des einlaufenden Photons erbt. Nur wenn dazuwischen weidere Wechselwirkungen mit dem Hintergrundgas auftreten, geht Information verloren.

Gruß,
Joachim

Pi-Meson

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Beitrag Do 8. Mär 2012, 13:34

Re: verschränkte Photonen in Lichtleitern

Hi Joachim,

Joachim hat geschrieben:Aus Erhaltungssätzen folgt, dass das gestreute Photon die Kohärenzeigenschaften des einlaufenden Photons erbt. Nur wenn dazuwischen weidere Wechselwirkungen mit dem Hintergrundgas auftreten, geht Information verloren.


Verstehe ich nicht: es ist doch nur der Gesamtdrehimpuls der einlaufenden Teilchen gleich dem Gesamtdrehimpuls der auslaufenden; die Drehimpulse der Streupartner bleiben nicht einzeln erhalten; die Polarisation des einlaufenden Photons ist nicht zwangsläufig dieselbe wie die des auslaufenden. Die Streupartner tauschen i.a. nicht nur Impuls untereinander aus sondern auch Drehimpuls.

Das nennt man ja Thomson-Streuung; ein paar Bemerkungen dazu z.B. hier:
http://quantummechanics.ucsd.edu/ph130a ... de476.html

Was wären nun die Auswirkungen wenn das gestreute Photon via Polarisation mit einem anderen Photon verschränkt wäre?
Du meinst, das tangiert so eine Verschränkung nicht, obwohl Drehimpuls "mit der "Umgebung" ausgetauscht wurde?
Das kann doch nicht sein.

Gruß,
Hawkwind
___
PS. Ich werde anscheinend lästig (wegen "nicht glauben wollen")?

langlebiges Kaon

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Beitrag Do 19. Jul 2012, 12:41

Re: verschränkte Photonen in Lichtleitern

@Joachim

Was mir an Dekohärenzthemen Probleme bereitet, ist dieser graduelle Charakter, der dem anzuhaften scheint - wenn's wie hier bei der Reflektion mit einem oder "wenigen" Teilchen wechselwirkt, tritt offenbar noch keine Dekohärenz auf, wenn's mit "vielen" Teilchen wechselwirkt, dann iwie schon?

Das erinnert mich immer unliebsam an Deutschstunden, in denen Literatur mittels Begriffen wie "lang" und "kurz" klassifiziert wurde - damit konnte ich meist wenig anfangen, so im Sinne von.
"lang"? - Also länger als Moby Dick?
"kurz"? - Also kürzer als ein Haiku?

:)

Iwie brauch ich das in der Physik doch konkreter - und das einzige konkrete Kriterium, das mir einfällt, ist die Unschärfe.
Kriegt man es damit iwie eingekreist?

Grüsse,

Solkar
Old MacDonald had a form
$e_i\,\wedge\,e_i = 0$
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