Квантовый ковер - Quantum carpet - Wikipedia

Квантовый ковер для частицы в бесконечной потенциальной яме. По горизонтальной оси отложено положение частицы. Время анимации бега - это изменение начальной волновой функции.

В квантовая механика, а квантовый ковер[1]регулярный Изобразительное искусство -подобный узор, нарисованный волновая функция эволюция или плотность вероятности в пространстве Декартово произведение координаты положения квантовой частицы и времени или в пространство-время напоминающий ковер Изобразительное искусство. Это результат самоуправления.вмешательство волновой функции при ее взаимодействии с отражающими границами. Например, в бесконечная потенциальная яма, после распространения изначально локализованных Гауссов волновой пакет в центре скважины различные части волновой функции начинают перекрываться и интерферировать друг с другом после отражения от границ. Геометрия квантового ковра в основном определяется квантово-дробное возрождение.

Квантовые ковры демонстрируют многие принципы квантовой механики, в том числе волновая дуальность, квантовые возрождения, и декогеренция. Таким образом, они иллюстрируют определенные аспекты теоретической физики.

В 1995 году Майкл Берри создал первый квантовый ковер, который описал импульс возбужденного атома. Сегодня физики используют квантовые ковры для демонстрации сложных теоретических принципов.[2][3]

Квантовые ковры, демонстрирующие теоретические принципы

Дуальность волна-частица

Квантовые ковры демонстрируют волновая дуальность показывая интерференцию внутри волновых пакетов.

Дуализм волновых частиц трудно понять. Однако квантовые ковры дают возможность визуализировать это свойство. Рассмотрим график распределение вероятностей возбужденного электрона в замкнутом пространстве (частица в ящике), где яркость цвета соответствует импульсу. На квантовом ковре появляются линии тусклого цвета (призрачные термины или каналы). В этих каналах импульс электрона очень мал. Разрушительное вмешательство, когда впадина одной волны перекрывается с гребнем другой волны, вызывает эти призрачные члены. Напротив, некоторые области графика имеют яркий цвет. Конструктивное вмешательство, когда гребни двух волн перекрываются, чтобы сформировать большую волну, вызывает эти яркие цвета. Таким образом, квантовые ковры являются визуальным свидетельством интерференции электронов и других волновых пакетов. Интерференция - это свойство волн, а не частиц, поэтому интерференция внутри этих волновых пакетов доказывает, что они обладают свойствами волн в дополнение к свойствам частиц. Следовательно, квантовые ковры демонстрируют дуальность волновых частиц.[4]

Квантовые возрождения

Квантовые ковры демонстрируют квантовые возрождения показывая периодические расширения и сжатия волновых пакетов.

Когда импульс волнового пакета изображается на квантовом ковре, он показывает замысловатый узор. Когда временная эволюция этого волнового пакета изображается на квантовых коврах, волновой пакет расширяется, и первоначальная картина теряется. Однако по прошествии определенного периода времени форма сигнала сжимается и возвращается в исходное состояние, а исходная структура восстанавливается.[5] Это продолжает происходить с периодической регулярностью. Квантовые возрождения, периодическое расширение и сжатие волновых пакетов, ответственны за восстановление структуры.[6] Хотя квантовые возрождения сложны с математической точки зрения, они просты и легко визуализируются на квантовых коврах, как модели, расширяющиеся и меняющиеся. Таким образом, квантовые ковры являются наглядным свидетельством квантового возрождения.

Декогеренция

Квантовые ковры демонстрируют декогеренцию, показывая потерю когерентности с течением времени.

Когда временная эволюция электрона, фотона или атома изображается на квантовом ковре, изначально существует четкая закономерность. Этот отчетливый паттерн демонстрирует последовательность. То есть волна может быть разделена на две части и повторно объединена, чтобы сформировать новую волну.[7] Однако со временем эта закономерность тускнеет и в конечном итоге превращается в ничто. Когда узор исчезает, когерентность теряется, и невозможно разделить волну пополам и рекомбинировать ее. Эта потеря когерентности называется декогеренцией.[8] Набор сложных математических уравнений моделирует декогеренцию. Однако простая потеря шаблона показывает декогеренцию квантовых ковров. Таким образом, квантовые ковры - это инструмент для визуализации и упрощения декогеренции.

История

Выполняя эксперимент по оптике, английский физик Генри Фокс Талбот случайно обнаружил ключ к квантовым коврам. В этом эксперименте волна ударила дифракционная решетка, и Талбот заметил, что решетки повторяются с периодической регулярностью. Это явление стало известно как Эффект Тальбота. Полосы света, открытые Талботом, никогда не отображались на оси, и поэтому он никогда не создавал настоящего квантового ковра.[9] Однако полосы света были похожи на изображения на квантовом ковре. Спустя столетия физики изобразили эффект Тальбота, создав первый квантовый ковер. С тех пор ученые обратились к квантовым коврам в качестве наглядного доказательства квантовой теории.[2]

Рекомендации

  1. ^ А.Е. Каплан; И. Марцоли; W. E. Lamb, Jr. & W.P. Шлейх (2000). «Многомодовая интерференция: формирование высоко регулярных структур в эволюции квантовых волновых пакетов» (PDF). Phys. Ред. А. 61 (3): 032101–032107. Bibcode:2000PhRvA..61c2101K. Дои:10.1103 / PhysRevA.61.032101.
  2. ^ а б «Квантовые ковры, ковры света». Мир физики. 2001-06-05. Получено 2020-10-26.
  3. ^ Холл, Майкл Дж В; Райнекер, Мартина С; Шлейх, Вольфганг П. (1999-11-26). «Распутывая квантовые ковры: подход бегущей волны». Журнал физики A: математические и общие. 32 (47): 8275–8291. Дои:10.1088/0305-4470/32/47/307. ISSN  0305-4470.
  4. ^ Фриш, О. М.; Марцоли, I; Schleich, W.P (2006-03-2000). «Квантовые ковры, сотканные функциями Вигнера». Новый журнал физики. 2: 4–4. Дои:10.1088/1367-2630/2/1/004. ISSN  1367-2630.
  5. ^ [1] Юсуф [2] Икбал, [1] Икра [2] Шахид (30 марта 2018 г.). «Квантовые ковры: зонд для выявления фракционных возрождений волновых пакетов» (PDF).
  6. ^ Робинетт, Р. В. (2018). «Возрождение квантовых волновых пакетов». Отчеты по физике. 392 (1–2): 1–119. Дои:10.1016 / j.physrep.2003.11.002.
  7. ^ Болл, Филипп (20.10.2018). «Вселенная всегда ищет». Атлантический океан. Получено 2020-10-27.
  8. ^ Kazemi, P; Чатурведи, S; Марцоли, I; О'Коннелл, Р. Ф.; Schleich, W P (21 января 2013 г.). «Квантовые ковры: инструмент для наблюдения декогеренции». Новый журнал физики. 15 (1): 013052. Дои:10.1088/1367-2630/15/1/013052. ISSN  1367-2630.
  9. ^ Вэнь Цзяньминь; Чжан, Юн; Сяо, Мин (2013-03-31). «Эффект Тальбота: последние достижения в классической оптике, нелинейной оптике и квантовой оптике». Достижения в оптике и фотонике. 5 (1): 83. Дои:10.1364 / AOP.5.000083. ISSN  1943-8206.