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O tratamento clássico do interferômetro de Mach-Zehnder: uma releitura mais moderna do experimento da fenda dupla na introdução da física quântica/ The optical Mach-Zehnder interferometer in classical regime: a more modern version of the double-slit experiment in the introduction of quantum physics

Ricci, Trieste Freire; Ostermann, Fernanda; Prado, Sandra Denise
2007-01-01

Resumo em português Neste trabalho, analisamos detalhadamente o fenômeno ondulatório da luz em um interferômetro de Mach-Zehnder (IMZ) operando em regime clássico. Um dos principais objetivos do trabalho é dar suporte a futuras transposições para o IMZ em regime quântico. O IMZ é um arranjo experimental que apresenta uma releitura, mais moderna em termos tecnológicos, do experimento das duas fendas de Young [1] e tem sido extensivamente explorado em artigos da área de computação (mais) quântica e criptografia quântica [2] - áreas que se alicerçam nos fenômenos de superposição e de interferência quânticas - e em artigos de ensino de física para disciplinas introdutórias de física quântica (FQ) - área que propõe naturalmente uma reflexão sobre o problema conceitual da escolha dos caminhos pelo fóton [3-10]. Os resultados analíticos aqui apresentados foram utilizados na elaboração de um software educacional que simula a interferência nos regimes clássico e quântico e que está em plena utilização em cursos introdutórios de FQ no IF-UFRGS. Resumo em inglês In this paper, the optical Mach-Zehnder Interferometer (MZI) in classical regime is fully analysed. One of our main goals is to supply the basis for future transpositions to the quantum regime. The MZI is a device totally analogous to the double-slit experiment [1] but a more modern version in technological terms. It has been used extensively in papers related to quantum computation and quantum cryptography [2]. Those are fields grounded on quantum superposition and quant (mais) um interference phenomena. It has also appeared in papers related to the teaching of introductory quantum physics where the conceptual problem of which path a given photon goes through arises more naturally [3-10]. The analytical results shown here were used in the production of an educational software to simulate the classical and quantum interference phenomena. The software has been widely used in introductory quantum physics courses in IF-UFRGS.

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Interpretando o algoritmo de Deutsch no interferômetro de Mach-Zehnder/ Interpreting Deutsch's algorithm on the Mach-Zehnder interferometer

Cabral, Gustavo Eulalio M.; Lima, Aércio Ferreira de; Lula Jr., Bernardo
2004-01-01

Resumo em português A Computação Quântica é uma área de pesquisa relativamente recente, que vem sendo desenvolvida nos últimos 20 anos, e que faz uso dos fundamentos da Ciência da Computação e da Física Quântica. Dois são os fenômenos quânticos em que se baseia a Computação Quântica: superposição e interferência. Neste trabalho, destacaremos o papel da interferência na solução do problema proposto por Deutsch, o qual consiste em saber se uma dada função é constante (mais) ou balanceada, calculando a função apenas uma vez. Figurativamente, isto equivale a saber se uma moeda é honesta ou viciada (duas faces iguais) olhando-a uma única vez. A solução de Deutsch (algoritmo) é, com freqüência, explicada de forma abstrata e com auxílio de circuitos. Contudo, embora eficiente para expressar a "lógica'' e facilitar o desenvolvimento de algoritmos quânticos, esta abordagem não deixa transparecer e facilmente apreender os fenômenos físicos subjacentes. Neste trabalho mostramos didaticamente como o interferômetro de Mach-Zehnder implementa o algoritmo de Deutsch, destacando desta forma a importância da interferência na realização de algoritmos quânticos. Resumo em inglês Quantum Computation is a relatively new research area, which has been in development in the past 20 years, and which makes use of the fundamentals of Computer Science and Quantum Physics. Two are the quantum phenomena in which Quantum Computation is based: superposition and interference. In this work, we will highlight the role of interference in the solution of the problem proposed by Deutsch, which consists of knowing if a given function is constant or balanced, executi (mais) ng the function only once. Figuratively, this is the same as knowing if a coin is honest or faked (two equal faces) looking only once. Deutsch's solution (algorithm) is frequently explained in an abstract manner and with the help of circuits. However, although efficient to express the "logics" and facilitate the development of quantum algorithms, that approach does not make it clear and easy to realize the underlying physical phenomena. In this work, we show, in a didatic way, how the Mach-Zehnder interferometer implements Deutsch's algorithm, thus highlighting the importance of interference in the realization of quantum algorithms.

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Dualidade onda-partícula: um objeto de aprendizagem baseado no interferômetro de Mach-Zehnder/ Wave-particle duality: a learning object based on the Mach-Zehnder interferometer

Betz, Michel; Lima, Ismael de; Mussatto, Gabriel
2009-09-01

Resumo em português Apresentamos um recurso eletrônico destinado a apoiar o ensino e facultar o estudo independente da dualidade onda-partícula na física quântica. Seguindo outros autores, escolhemos o interferômetro de Mach-Zehnder como ilustração conveniente dos conceitos. O material está organizado em "objeto de aprendizagem", cujo elemento central é uma animação interativa e comentada. Textos auxiliares apresentam o formalismo matemático subjacente bem como informações de c (mais) aráter histórico, epistemológico e experimental. Três níveis de descrição são considerados sucessivamente na animação. O primeiro mostra o feixe na aproximação da óptica geométrica, enquanto o segundo analisa os aspectos puramente ondulatórios. O terceiro nível apresenta a visão corpuscular quântica, introduzindo pacotes de ondas associados a fótons individuais e explicitando a relação entre contagem e função de onda. A inserção de um detector num dos braços do instrumento permite discutir a clássica questão do caminho seguido pelo fóton. A animação apresenta visualizações dos ingredientes que fundamentam as descrições teóricas, tais como frentes de onda, deslocamentos de fase, sobreposições e separações de pacotes em componentes. Levando ao pé da letra a interpretação mais usual da mecânica quântica, exibimos na tela do computador o "colapso do estado" induzido pela observação. Acreditamos que tais visualizações teórico-conceituais complementam proveitosamente a simulação realista do dispositivo experimental desenvolvida por outros autores. Resumo em inglês We present an electronic resource aimed for supporting the teaching and allowing the independent study of wave-particle duality in quantum physics. Following other authors, we choose the Mach-Zehnder interferometer as a convenient illustration of the concepts. The material is organized as a "learning object", the central element of which is an interactive and commented animation. Auxiliary texts present the underlying mathematical formalism as well as information of histo (mais) rical, epistemological and experimental nature. Three levels of description are considered successively in the animation. The first shows the beam in the approximation of geometric optics, while the second analyzes the purely ondulatory aspects. The third level presents the quantum-corpuscular view, introducing wave packets associated with individual photons and displaying the relation between counting and wave function. Inserting a detector in one arm of the instrument allows the discussion of the classical issue of the path followed by the photon. The animation presents visualizations of the ingredients which underlie theoretical descriptions, such as wave fronts, phase shifts, superpositions, and separations of wave packets into components. Taking literally the most usual interpretation of quantum mechanics, we exhibit on the computer screen the "state collapse" induced by observation. We believe that such theoretic-conceptual visualizations usefully complement a realistic simulation of the experimental device developed by other authors.

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Interpretações da mecânica quântica em um interferômetro virtual de Mach-Zehnder/ Interpretations on quantum mechanics on a virtual Mach-Zehnder interferometer

Ostermann, Fernanda; Prado, Sandra Denise
2005-06-01

Resumo em português Neste trabalho analisamos o fenômeno da interferência quântica no interferômetro de Mach Zehnder - um arranjo experimental análogo ao experimento das duas fendas, porém mais simples - sob a luz das principais escolas de interpretação da mecânica quântica. Embora fortemente inspirados pelo trabalho de Pessoa Jr. [1]-[3], damos especial ênfase à Interpretação dos Muitos Mundos ou Universos Paralelos, que experimenta um crescente interesse tanto por parte da co (mais) munidade científica quanto de leigos. A Interpretação dos Muitos Mundos é uma corrente da mecânica quântica para a qual, além do mundo do qual somos conscientes, há muitos outros mundos similares que existem em paralelo no espaço e ao mesmo tempo. A existência destes outros mundos torna possível a remoção da aleatoriedade e da ação à distância da teoria quântica. Uma introdução básica de uma interpretação que tem estado presente nos meios de comunicação é uma importante contribuição para a formação inicial e continuada de professores de Física, principalmente quando se busca uma discussão mais conceitual sobre o tema. Resumo em inglês The problem of quantum interference phenomena is analyzed on the Mach-Zehnder Interferometer - an experimental setup similar to double slits device, but much simpler - under the light of the main schools of interpretations of Quantum Mechanics. Although this is a work very based on Pessoa Jr [1]-[3], special emphasis is given to Many Worlds Interpretation due to its recent growing of interests within scientific community as much as within general public. The Many-Worlds I (mais) nterpretation is an approach to Quantum Mechanics according to which, in addition to the world we are aware of directly, there are many other similar worlds that exist in parallel at the same space and time. The existence of the other worlds makes it possible to remove randomness and action at a distance from quantum theory. A basic introduction of an interpretation like Many Worlds that have been extensively present in the media is an important contribution to the initial and continued education for Physics Teachers, mainly when a more conceptual approach to the subject is aimed.

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Investigando a aprendizagem de professores de física acerca do fenômeno da interferência quântica/ Investigating Physics teachers' learning on the quantum interference phenomenon

Ostermann, Fernanda; Prado, Sandra Denise; Ricci, Trieste S. F.
2008-01-01

Resumo em português Analisa-se a evolução conceitual de 14 professores de Ensino Médio que foram estudantes, no 2º semestre de 2005, de uma disciplina sobre Física Quântica (FQ) no Mestrado Profissional em Ensino de Física da UFRGS. Foi realizada uma análise de suas respostas acerca da interferência quântica em questionários especialmente desenvolvidos. Este estudo insere-se no âmbito de um projeto sobre Tópicos de Física Moderna e Contemporânea na formação de professores e (mais) já tem, como resultados a elaboração de um questionário sobre conceitos de FQ, construção e avaliação de uma unidade didática baseada em experimentos virtuais e o desenvolvimento de um software livre, do tipo "bancada virtual", que simula o fenômeno da interferência quântica em um aparato denominado Interferômetro de Mach Zehnder. A partir das sínteses das questões e da análise das respostas dos alunos, os resultados aqui relatados evidenciam aspectos de uma evolução conceitual em tópicos introdutórios de FQ. Resumo em inglês An analysis of the conceptual evolution of 14 Physics Teachers attending a 4 credit discipline "Introductory Quantum Physics" from August to December 2005 is presented in this work. They were all regular students in the Professional Masters Degree Program in Instituto de Física (UFRGS). Our analysis focuses on answers to learning questionnaires on the particular phenomenon of quantum interference. This study is part of a current project concerned with the preparation of (mais) Physics Teachers in Topics of Modern and Contemporary Physics. The project has so far resulted in the elaboration of learning questionnaires on Quantum Physics, the elaboration and evaluation of a teaching unit based on virtual experiments and the elaboration of a freeware interactive software that simulates the quantum interference in the Mach-Zehnder Interferometer. From questions synthesis and student´s answers, outcomes here related show aspects of a conceptual evolution in Quantum Physics introducty topics.

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