Estudio del borrador cuántico con interferómetro

Abstract

Este trabajo de fin de grado surge de la motivación de realizar un estudio dual en el que se complementen un desarrollo teórico y su correspondiente comprobación experimental. Para ello, se ha planteado el análisis de un borrador cuántico empleando un interferómetro de Mach-Zehnder, con el fin de reproducir la validez de las experiencias predichas por la física cuántica con el experimento del laboratorio. La estrategia seguida ha consistido en una revisión bibliográfica que permita seleccionar la documentación más relevante, seguida del montaje experimental para realizar una serie de pruebas cualitativas sobre su funcionamiento. Se debe tener en cuenta que durante todo el trabajo se están empleando simultáneamente dos teorías, la mecánica cuántica y el electromagnetismo clásico. Es de gran interés realizar esta tarea ya que supone acercar, de una forma sencilla y visual, ciertos fenómenos de la física cuántica difíciles de comprender por ser muy anti intuitivos, como la complementariedad o la no-localidad. Para ello, se han descrito desde el formalismo de la física cuántica varios esquemas del borrado cuántico haciendo uso del interferómetro de Mach-Zehnder, facilitando su comprensión con diversos gráficos y diagramas descriptivos. Así mismo, se incluyen fotografías del instrumento empleado en el laboratorio. Del análisis expuesto a lo largo de la memoria, se pudieron constatar tres aspectos fundamentales de la teoría cuántica. En primer lugar, la dualidad onda-corpúsculo está presente en todo momento ya que se comprueba que el carácter de la partícula depende de la capacidad que tenga el experimentador de acceder a la información del recorrido que ha realizado. Cuando los caminos son indistinguibles se puede observar el patrón de interferencia consecuencia del comportamiento ondulatorio de las partículas. La función de onda se dividirá en dos y cada parte recorrerá uno de los brazos, produciéndose la interferencia entre las mismas a la salida del interferómetro. Si se marcan los caminos empleando polarizadores, la partícula solo podrá ir por uno de ellos, pasando a comportarse como un corpúsculo. En segundo lugar, se ha constatado el principio de complementariedad de Bohr. Las propiedades complementarias no pueden ser medidas u observadas simultáneamente, en este caso, las líneas de interferencia y el recorrido del fotón. Al colocar los polarizadores se está generando un estado entrelazado entre el camino seguido por el fotón y su polarización. Bajo esta circunstancia, conocer la polarización del fotón es conocer el recorrido que ha realizado, y por lo tanto, su comportamiento debe ser corpuscular, desapareciendo el patrón de interferencia. En tercer lugar, si se dejara de tener acceso a la información del camino seguido por las partículas, instantáneamente se recuperaría el carácter ondulatorio de los fotones, esta es una manifestación del carácter no-local de la mecánica cuántica. Finalmente, el objetivo principal se ha alcanzado: montar un interferómetro de MachZehnder que cumpla los requisitos para comportarse como un borrador cuántico. Queda pendiente la ampliación del proyecto para emplear el borrador cuántico con interferómetro de Mach-Zehnder para interpretar las medidas de elección retardada

This end-of-degree work arises from the motivation to carry out a dual study in which a theoretical development and its corresponding experimental verification are complemented. For this purpose, the analysis of a quantum eraser using a Mach-Zehnder interferometer in order to reproduce the experiences predicted by quantum physics with the laboratory experiment. The strategy followed has consisted of a bibliographic review that allows the selection of the most relevant documentation, followed by the realization of the experimental assembly to begin with a series of qualitative tests on its functioning. It should be borne in mind that during the entire work two theories are being used simultaneously, quantum mechanics and classical electromagnetism. It is of great interest to carry out this task since it involves bringing closer, in a simple and visual way, certain phenomena of quantum physics that are difficult to understand because they are quite unintuitive, such as complementarity or non-locality. To this end, several schemes of quantum erasure have been described from the formalism of quantum physics using the Mach-Zehnder interferometer, making it easier to understand with different graphics and descriptive diagrams. It also includes photographs of the instrument used in the laboratory, together with explanations of the tests carried out. From the analysis exposed throughout the report, three fundamental aspects of quantum theory could be observed. Firstly, the wave-particle duality is present at all times as it is proven that the character of the particle depends on the capability of the experimenter to access the information of the path he has taken. When the paths are indistinguishable, the interference pattern can be observed as a consequence of the undulatory behavior of the particles. The wave function will be divided in two and each part will run through one of the arms, producing the interference between them at the output of the interferometer. If the paths are marked using polarizers, the particle will only be able to go through one of them, going on to behave like a corpuscle. Secondly, Bohr’s principle of complementarity has been confirmed. The complementary properties cannot be measured or observed simultaneously, in this case, the lines of interference and the path of the photon. When the polarizers are placed, a entangle state is generated between the path followed by the photon and its polarization. Under this circumstance, to know the polarization of the photon is to know the path it has taken, and therefore, its behavior must be corpuscular, disappearing the interference pattern. Thirdly, if we stopped having access to the information on the path followed by the particles, the undulatory character of the photons would be instantly recovered, this is a manifestation of the non-local character of quantum mechanics. Finally, the main objective has been achieved: to elaborate a Mach-Zehnder interferometer that meets the requirements to behave like a quantum eraser. Pending the extension of the project to use the quantum eraser with Mach-Zehnder interferometer to interpret the delayed choice measurements.