home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #27 / NN_1992_27.iso / spool / alt / sci / physics / newtheo / 2348 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1992-11-18  |  14.2 KB  |  551 lines

  1. Newsgroups: alt.sci.physics.new-theories
  2. Path: sparky!uunet!well!sarfatti
  3. From: sarfatti@well.sf.ca.us (Jack Sarfatti)
  4. Subject: Sarfatti Lectures in Super-Physics 1
  5. Message-ID: <BxyGA3.7Hr@well.sf.ca.us>
  6. Sender: news@well.sf.ca.us
  7. Organization: Whole Earth 'Lectronic Link
  8. Date: Thu, 19 Nov 1992 08:44:27 GMT
  9. Lines: 540
  10.  
  11.  
  12.  
  13. I bring all the pieces on interferometry leading up to the quantum
  14. connection communicator that can transmit messages backwards in time in one
  15. place -for the convenience of students of the future:
  16.  
  17. The Sarfatti Lectures on Super Physics
  18.  
  19. Lecture 1
  20.  
  21. Clarification of Ramsay Sarfatti debate in simple case.
  22.  
  23. #1 Mach-Zehnder Interferometer (MZI) with ordinary unconnected one photon
  24. input.
  25.  
  26. The MZI consists of two 50-50 non-absorbing beam splitters (\\) and two
  27. nonabsorbing mirrors (\).
  28.  
  29. ---->\\---------\
  30. |a>  |    |t>   |
  31.      |          - phase plate (phi)
  32.      |          |
  33.      \----------\\----- |tr+rt> = |I1> interferogram 1
  34.           |r>   |
  35.                 |
  36.                 |
  37.                  |tt+rr> = |I2> interferogram 2
  38.  
  39. Fig.1A MZI (orthogonal ket)
  40.  
  41. A. The first beam splitter resolves the input photon ket |a> into
  42.  
  43. |a> -> [|t> + i|r>]/sqrt2
  44.  
  45. The i is from reflection at the first beam splitter.
  46.  
  47. <t|r> = 0
  48.  
  49. <t|a> = 1/sqrt2
  50.  
  51. <r|a> = i/sqrt2
  52.  
  53. The effect of the phase plate (all optical paths otherwise equal) is
  54.  
  55. |t> -> e^iphi |t>
  56.  
  57. so that
  58.  
  59. [|t> + |r>]/sqrt2 -> [e^iphi|t> + |r>]/sqrt2
  60.  
  61. Interferogram 1 is then
  62.  
  63. [ie^iphi|t> + i|r>]/2 = |I1>
  64.  
  65. <I1|I2> = 1
  66.  
  67. The probability of counter 1 to "click" is then
  68.  
  69. p(1) = |<1|I1>|^2
  70.  
  71. = |[ie^iphi<1|t> + i<1|r>]/2|^2
  72.  
  73. = [|<1|t>|^2 + |<1|r>|^2 + 2|<1|t>||<1|r>|cos(phi + arg<1|t> - arg<1|r>)]/4
  74.  
  75. similarly, interferogram 2 is
  76.  
  77. [-|r> + e^iphi |t>]/2 = |I2>
  78.  
  79. <I2|I2> = 1
  80.  
  81. note that <I2|I1> = 0
  82.  
  83. and
  84.  
  85. p(2) = |<2|I2>|^2
  86.  
  87. = |[e^iphi<2|t> - <2|r>]/2|^2
  88.  
  89. = [|<2|t>|^2 + |<2|r>|^2 - 2|<2|t>||<2|r>|cos(phi + arg<2|t> - arg<2|r>)]/4
  90.  
  91.  
  92. p(1) + p(2) = 1
  93.  
  94. is satisfied if
  95.  
  96. <1|t> = <1|r> = <2|t> = <2|r>
  97.  
  98. |<1|t>| = 1
  99.  
  100. so that
  101.  
  102. p(1) = [1 + cos(phi)]/2
  103.  
  104. p(2) = [1 - cos(phi)]/2
  105.  
  106. * Note that phi is definite. There is no reason to assume that phi is
  107. random as Ramsay requires. There is no sum over phi required in an
  108. individual experiment in order to conserve probability. This is a
  109. significan difference from the classic 2-slit experiment. The MZ experiment
  110. has a "discrete" screen of only two resolution-limited "points" in contrast
  111. to the large number of resolution-limited points in the 2-slit experiment.
  112.  
  113. This model in which <t|r> = 0, requires 8 adhoc unobservable real
  114. parameters which must be adjusted to get the right answer.
  115.  
  116. B. A much simpler model based upon the Feynman histories picture is:
  117.  
  118. ---->\\---------\
  119. |a>  |    +     |
  120.      |          - phase plate (phi)
  121.      |          |
  122.      \----------\\----- |tr+rt> = |1> interferogram 1
  123.           -     |
  124.                 |
  125.                 |
  126.                  |tt+rr> = |2> interferogram 2
  127.  
  128. Fig.1B MZI (Feynman histories)
  129.  
  130. |a> = |1><1|a> + |2><2|a>
  131.  
  132. <1|a> = [a(+1) + a(-1)] = [ie^iphi + i]/2
  133.  
  134. <2|a> = [a(+2) + a(-2)] = [e^iphi -  1]/2
  135.  
  136. p(1) = |<1|a>|^2 = [1 + cos(phi)]/2
  137.  
  138. p(2) = |<2|a>|^2 = [1 - cos(phi)]/2
  139.  
  140. *Now we can see more clearly what I really mean when in the photon pair
  141. case I write |a,e,+> parallel to |a,o,+>. That corresponds to the coherent
  142. addition of the indistinguishable amplitudes a(+1) + a(-1) in which photon
  143. a takes path + and it takes path - in both cases detected at counter 1.
  144. I will develop this more for photon pair case in future postings.
  145.  
  146. It appears that Ramsay and I have been talking at cross purposes since
  147. either picture gives the same answer in this simple case at least.
  148.  
  149. Note also that Wheeler's "delayed choice" experiment uses this
  150. configuration. If one chooses (as Wheeler does choose) phi = 0, for
  151. example, then
  152.  
  153. p(1) = 1 & p(2) = 0
  154.  
  155. *There is no question that this is not possible in a practical sense in the
  156. real laboratory. There is no fundamental law that phi must be random so
  157. that p(1) = p(2) = 1/2 - as Ramsay's picture seems to imply!
  158.  
  159.  
  160. #2  Single counter MZI
  161.  
  162. The crux of the debate over quantum connection communication fact or
  163. fantasy between me and Keith Ramsay has to do with the decision process
  164. between interfering and non-interfering alternatives.  The following
  165. example addresses the heart of the matter.  Ramsay professes that the two
  166. alternative histories t and r for photon a are always non-interfering
  167. because, he says, <t|r> = 0 and any unitary transformation must preserve
  168. this bracket relation.
  169.  
  170. ---->\\---------\
  171. |a>  |    |t>   |
  172.      |          - phase plate (phi)
  173.      |          |
  174.      \----------0 |3>
  175.           |r>
  176.  
  177. Fig.2A MZI (single counter)
  178.  
  179. According to Ramsay:
  180.  
  181. |a> -> [e^iphi|t> + i|r>]/sqrt2 = |a>'
  182.  
  183. p(3) = |<3|a>'|^2 = |<3|t>|^2 + |<3|r>|^2
  184.  
  185.      + 2|<3|t>||<3|r>|cos(phi+arg<3|t>-arg<3|r> - pi/2)
  186.  
  187. At this point it is not clear what Ramsay would do. Ramsay what would you
  188. do? One thing he might do is:
  189.  
  190. impose p(3) = 1 (ideal detectors in all these examples).
  191.  
  192. An alternative thing he might do is to make a formal sum over all detection
  193. points 3 and assume random phases to get
  194.  
  195. Sum{p(3)} = |<3|t>|^2 + |<3|r>|^2
  196. 3
  197.  
  198. and make reasonable ansatz that
  199.  
  200. |<3|t>| = |<3|r>| = 1/sqrt2
  201.  
  202. This way of doing things is unesthetic having all these ad-hoc parameters
  203. like epicycles that must be adjusted to get what we know by intuition is
  204. the right answer.
  205.  
  206. The Feynman history way of doing this problem is simple to write:
  207.  
  208. |a> -> [e^iphi a(t) + a(r)]|3> = |a>'
  209.  
  210. where a(t) is amplitude for photon to take t(r) path without intervening
  211. phase plates etc.. We add these ampltudes coherently since the single
  212. counter (clamped) makes them indistinguishable (i.e. no 1-1 correlation to
  213. orthogonal kets of some measuring system like a Heisenberg microscope in
  214. "on" mode).
  215.  
  216. Therefore,
  217.  
  218. p(3) = |<3|a>'|^2 = |e^iphi a(t) + a(r)|^2 = 1
  219.  
  220. but,
  221.  
  222. a(t) = e^iarga(t)/sqrt2
  223.  
  224. a(r) = e^iarga(r)/sqrt2
  225.  
  226. Therefore, conservation of probability requires
  227.  
  228. cos[phi + arg(t) - arg(r)] = 0
  229.  
  230. or
  231.  
  232. phi + arg(t) - arg(r) = pi/2
  233.  
  234. is a solution.
  235.  
  236. Note that the relative phase shift of the beam splitter is not frozen in
  237. stone like the Ten Commandments but adjusts itself globally to the boundary
  238. conditions or "total experimental arrangement" - in this case the setting
  239. on the variable phase plate.
  240.  
  241. The point is that there is nothing in the quantum formalism that prohibits
  242. "indistinguishable" single counter detection as shown in Fig.1c.  Ramsay's
  243. comments on different momentum components is adhoc nonsense.  I will go on
  244. to develop a sequence of examples leading to final quantum connection
  245. communicator in future posts.
  246.  
  247.  
  248. #3 Calcite MZI
  249.  
  250.     _
  251.    | |-|-|-|-|-|\
  252.    | |    |e+>  |
  253.    | |          - phase plate (phi)
  254.    | |          |
  255. / /|_|-o-o-o-o--\\----- |e(+)r+o(-)t> = |1> (interferogram 1)
  256. |a>             |
  257.           |o->      |
  258.                 |o(-)r+e(+)t> = |2> (interferogram 2)
  259.  
  260. Fig. 3A
  261.  
  262. Note polarization kets: | = |+> & o = |-> and <+|-> = 0
  263.  
  264. |e+> = |e>|+>
  265.  
  266. |e> is a path ket etc.
  267.  
  268. Fig.2 CMZI
  269.  
  270. The first beam splitter is replaced by a calcite crystal
  271.  
  272. because of orthogonality of the polarization states
  273.  
  274. p(1) = p(2) = 1/2
  275.  
  276. independent of phi because (i.e, using quick and dirty "Feynman
  277. history"picture)
  278.  
  279. |a> -> [e^iphi|e>|+> + |o>|->]/sqrt2
  280.  
  281.     -> |1> (ie^iphi|+> + |->)/2 + |2>(e^iphi|+> + i|->)/2 = |a>'
  282.  
  283.  
  284. p(1) = |<1|a>'|^2 = |(ie^iphi|+> + |->)/2|^2 = 1/2
  285.  
  286. p(2) = |<2|a>'|^2 = |(e^iphi|+> + i|->)/2|^2 = 1/2
  287.  
  288. #4 Now insert a half-waveplate in the o-space path. The unitary operator
  289. U(o:1/2) only acts locally and unitarily in the o-path because that is
  290. physically where the plate is. There is no half-wave plate in the e-path.
  291. Ramsay seems to get confused on this, falsely applying the unitary operator
  292. to the entire state - which is wrong standard quantum mechanics (SQM).
  293. The half-wave plate "quantum erases" the polarization distinguishability
  294. between the two space paths. That is
  295.  
  296. U(o:1/2)|-> = |+>
  297.     _
  298.    | |-|-|-|-|--\
  299.    | |    |e+>   |
  300.    | |           - phase plate
  301. phi)
  302.    | |    _      |
  303. / /|_|-o-|_|-|-|-\\----- |e(+)r+o(+)t> = |1> (interferogram 1)
  304. |a>              |
  305.       |o->  |o+> |  |o(+)r+e(+)t> = |2> (interferogram 2)
  306.  
  307. Fig. 4A
  308.  
  309. Now we have, using the Feynman histories picture to avoid all the extra
  310. confusing "epicycles" of the Ramsayian "Dirac ket" picture (artifacts of a
  311. bad notation - perhaps Ramsay can show a more efficient method?):
  312.  
  313. |a> -> |a>' = {|1>(ie^iphi + 1)/2 + |2>(e^iphi + i)/2}|+>
  314.  
  315. p(1) = |<1|a>'|^2 = |(ie^iphi + 1)/2|^2 = [1 + cos(phi+pi/2)]/2
  316.  
  317.      = [1 - sin(phi)]/2
  318.  
  319. p(2) = |<2|a>'|^2 = |(e^iphi + i)/2|^2 = [1 + cos(phi-pi/2)]/2
  320.  
  321.      = [1 + sin(phi)]/2
  322.  
  323. so that
  324.  
  325. p(1) + p(2) = 1
  326.  
  327. The local "fringe signal" is
  328.  
  329. p(1) - p(2) = sin(phi)
  330.  
  331. for a fixed definite phi. There is no need to sum over random phi's. It
  332. makes no sense physically! Ther is a similarity with the 2-slit experiment,
  333. but this is a significant difference.  There are only two "spots" on this
  334. "screen" (i.e. counters 1 and 2) that is everything - a fact that Ramsay
  335. does not appear to appreciate sufficiently. The "fringes" are seen in a
  336. sequence or ensemble of distinct macro-experiments corresponding to
  337. changing the setting on the phase-meter (i.e. phase plate).
  338.  
  339. #5 pair-correlated light
  340.  
  341.  
  342.    |3>     _                   _
  343.    -|-|-|-| |                 | |-|-|-|-|-|-\
  344.           | |                 | |    |e+>   |
  345.           | |                 | |           - (phi)
  346.    |4>    | |                 | |    _      |
  347.    -o-o-o-|_| <-    O       ->|_|-o-|_|-|-|-\\-|- |1>
  348.                                     1/2    _|_
  349.                                             |
  350.                                              |2>
  351.  
  352. Fig. 5A
  353.  
  354.  
  355. The initial "entangled" (i.e. quantum-connected) photon-pair state is:
  356.  
  357. |a,b> = {|a,e>|a,+>|b,+> + |a,o>|a,->|b,->}/sqrt2
  358.  
  359. local unitary action of both phi-meter in e-path and 1/2 wave plate in o
  360. path of photon a is "polarization disentanglement":
  361.  
  362. |a,b> -> {e^iphi|a,e>|a,+>|b,+> + |a,o>|a,+>|b,->}/sqrt2
  363.  
  364.        = |a,+>{e^iphi|a,e>|b,+> + |a,o>|b,->}/sqrt2 = |a,b>'
  365.  
  366. local unitary action of the beam splitter \\ on photon a is
  367.  
  368. |a,b>' -> |a,+>{|1>(ie^iphi|b,+> + |b,->)/2 + |2>(e^iphi|b,+> + i|b,->)/2}
  369.  
  370.         = |a,b>''
  371.  
  372. Consider the nonlocal joint probabilities:
  373.  
  374. p(3,1) = |<3|<1|<a,+||a,b>|^2
  375.  
  376. =|(ie^iphi cos@ + sin@)/2|^2 = [1 + sin2@ cos(phi+pi/2)]/4
  377.  
  378. = [1 - sin2@ sin(phi)]/4
  379.  
  380.  
  381. p(3,2) = |<3|<2|<a,+||a,b>|^2
  382.  
  383. =|(e^iphi cos@ + isin@)/2|^2 = [1 + sin2@ cos(phi-pi/2)]/4
  384.  
  385. = [1 + sin2@ sin(phi)]/4
  386.  
  387. Therfore, the local "receiver" probability for counter 3 of photon b is
  388.  
  389. p(3) = p(3,1) + p(3,2) = 1/2
  390.  
  391. similarly, p(4) = 1/2
  392.  
  393. Therefore, there is no quantum connection communication signal in this
  394. experimental arrangement because of the i phase factor of the transmitter
  395. beam splitter.  The i phase factor is required by local unitarity of the
  396. beam splitter in the one-photon problem.  Is it required for the photon
  397. pair problem as well? What about Fig.2A. Is that a clue?
  398.  
  399. Preamble:Ramsay's remarks about summing over phi are clearly wrong as he
  400. has not conceptually distinguished between a 2-slit experiment and a Mach-
  401. Zehnder experiment.
  402.  
  403. *Yes, if my transmitter used two slits and a screen, then Ramsay would be
  404. right. But his point is not relevant for the Mach-Zehnder case.
  405.  
  406.  
  407.  
  408.  
  409. #6 pair-correlated light (single transmitter counter |1>)
  410.  
  411.  
  412.    |3>     _                   _
  413.    -|-|-|-| |                 | |-|-|-|-|-|-\
  414.           | |                 | |    |e+>   |
  415.           | |                 | |           - (phi)
  416.    |4>    | |                 | |    _      |
  417.    -o-o-o-|_| <-    O       ->|_|-o-|_|-|-|-0 |1>
  418.  
  419.                                     1/2
  420.  
  421.  
  422.  
  423.    receiver                     transmitter
  424.  
  425.  
  426. Fig. 6A
  427.  
  428. As before in #5:
  429.  
  430. The initial "entangled" (i.e. quantum-connected) photon-pair state is:
  431.  
  432. |a,b> = {|a,e>|a,+>|b,+> + |a,o>|a,->|b,->}/sqrt2
  433.  
  434. local unitary action of both phi-meter in e-path and 1/2 wave plate in o
  435. path of photon a is "polarization disentanglement":
  436.  
  437. |a,b> -> {e^iphi|a,e>|a,+>|b,+> + |a,o>|a,+>|b,->}/sqrt2
  438.  
  439.        = |a,+>{e^iphi|a,e>|b,+> + |a,o>|b,->}/sqrt2 = |a,b>'
  440.  
  441. The recombination at counter 1 induces
  442.  
  443. |a,b>' -> |a,+>|1>{e^iphi|b,+> + |b,->}/sqrt2 = |a,b>'''
  444.  
  445. Ramsay and others object that no unitary transformation can make two
  446. orthogonal states go to a single state in the sense that an orthogonal
  447. basis cannot be collapsed to one vector in the basis. That is true, but
  448. that is not what is happening here. What we have here is the time-reverse
  449. of a beam splitter. For example in #1 an initial state |a> was split into
  450. two orthogonal states |t> and |r>. That is:
  451.  
  452. |a> -> [|t> + i|r>]/sqrt2
  453.  
  454. clearly the time reverse is also possible
  455.  
  456. [|t> + i|r>]/sqrt2 -> |a>
  457.  
  458. This is not the same as |t> -> |t> and |r> -> |t> which is what I was
  459. construed to have meant - partly my own fault, perhaps. But this is what I
  460. mean now! In the case at hand, it not that
  461.  
  462. |a,e> -> |a,e> and |a,o> -> |a,e> but rather |a,b>' -> |a,b>'''
  463.  
  464. note that
  465.  
  466. <a,b|a,b> = '<a,b|a,b>' = '''<a,b|a,b>''' = 1
  467.  
  468. so these transformations are unitary.
  469.  
  470. Let us review:
  471.  
  472. |a,b> is entangled both in space and spin spaces. The half-wave plate
  473. disentangles |a,b> in spin space to |a,b>'. The single counter arrangement,
  474. which may require some clever optical engineering to construct properly,
  475. further disentangles in space |a,b>' to |a,b>'''.
  476.  
  477. Indeed,
  478.  
  479. |a,b>''' = |a>|b> where
  480.  
  481. |a> = |a,+>|1>
  482.  
  483. |b> = {e^iphi|b,+> + |b,->}/sqrt2
  484.  
  485.  
  486. Therefore, the phase information at the transmitter has been "teleported"
  487. to the receiver on the quantum connection by the quantum erasure of both
  488. the spin and space information at the transmitter. This is a new law of
  489. physics buried in standard quantum mechanics.
  490.  
  491. p(3) = |<3|b>|^2 = |(e^iphi cos@ + sin@)/sqrt2|^2 =  [1 + sin2@ cos(phi)]/2
  492.  
  493. p(4) = |<4|b>|^2 = |(-e^iphi sin@ + cos@)/sqrt2|^2 = [1 - sin2@ cos(phi)]/2
  494.  
  495. p(3) + p(4) = 1
  496.  
  497. The quantum connection signal is
  498.  
  499. p(3) - p(4) = sin2@ cos(phi)
  500.  
  501. where @ is the nonlocal parameter - the difference in orientations of the
  502. two crystals at the spacetime events in which each photon in the same pair
  503. locally interacts with its crystal. The space-time interval between these
  504. two events is irrelevant( which Budnik fails to understand in his wrong
  505. "collapse or collapse" usenet posting).
  506.  
  507. Ramsay's remarks about summing over phi are clearly wrong as he has not
  508. conceptually distinguished between a 2-slit experiment and a Mach-Zehnder
  509. experiment.
  510.  
  511. *Yes, if my transmitter used two slits and a screen, then Ramsay would be
  512. right. But his point is not relevant for the Mach-Zehnder case.
  513.  
  514.  
  515.  
  516.  
  517.  
  518.  
  519.  
  520.  
  521.  
  522.  
  523.  
  524.  
  525.  
  526.  
  527.  
  528.  
  529.  
  530.  
  531.  
  532.  
  533.  
  534.  
  535.  
  536.  
  537.  
  538.  
  539.  
  540.  
  541.  
  542.  
  543.  
  544.  
  545.  
  546.  
  547.  
  548.  
  549.  
  550.  
  551.