في عينة من الفوتونات التي لا يمكن تمييزها ، ما مدى صعوبة تمييزها؟ لقد أجاب فريق دولي من العلماء الآن على هذا السؤال من خلال إجراء أول قياس دقيق لعدم إمكانية تمييز الفوتونات المتعددة. باستخدام نوع مبتكر من مقياس التداخل البصري استنادًا إلى أدلة موجية مترابطة ، أظهر الفريق أنه من الممكن التحقق من أداء مصادر الفوتون الفردي وتوليد حالات الفوتونات المتعددة في تجارب البصريات الكمومية - عضو فريق الإنجاز أندريا كريسبي يصف بأنه إضافة "عنصر إضافي إلى صندوق أدوات مجرب البصريات الكمومية".
في عالم الحياة اليومية الذي تحكمه الفيزياء الكلاسيكية ، يمكننا دائمًا إيجاد طرق لمعرفة أي كائن مجهري ، حتى لو بدت العديد من الأشياء متطابقة ظاهريًا. ومع ذلك ، في عالم الكم ، يمكن أن تكون الجسيمات متطابقة بالمعنى العميق ، كما يوضح كريسبي ، الفيزيائي في جامعة كاليفورنيا. جامعة البوليتكنيك في ميلانو ، إيطاليا. هذا يجعل من المستحيل حقًا تمييز جسيم عن الآخر ويؤدي إلى سلوكيات تشبه الموجة مثل التداخل.
تجعل هذه السلوكيات غير العادية الفوتونات المتطابقة مورداً أساسياً في تقنيات الكم الضوئية. في الحوسبة الكمومية ، على سبيل المثال ، تشكل أساس وحدات البت الكمومية المستخدمة لإجراء العمليات الحسابية. في الاتصالات الكمومية ، يتم استخدامها لإرسال المعلومات عبر شبكات الكم واسعة النطاق.
إثبات عدم القدرة على التمييز الحقيقي
للتحقق مما إذا كان الفوتونان لا يمكن تمييزهما ، يقوم الباحثون عادةً بإرسالهما عبر مقياس التداخل حيث تكون قناتان أو موجهات الموجات قريبين جدًا بحيث يمكن لكل من الفوتونات المرور عبر أي منهما. إذا كان لا يمكن تمييز الفوتونين تمامًا ، فسينتهي بهم الأمر دائمًا معًا في نفس الدليل الموجي. ومع ذلك ، لا يمكن استخدام هذه التقنية لمجموعات أكبر من الفوتونات ، لأنه حتى لو تكررت لجميع مجموعات الفوتونين الممكنة ، فلن تكون كافية لتوصيف مجموعة الفوتونات المتعددة بشكل كامل. هذا هو السبب في صعوبة قياس "عدم القدرة على التمييز الحقيقي" - وهي معلمة تحدد مدى قرب مجموعة من الفوتونات من هذه الحالة المثالية المتطابقة - بالنسبة لفوتونات متعددة.
في العمل الجديد ، باحثون من ميلانو و جامعة روما "لا سابينزا" بإيطاليا؛ ال مجلس البحوث الإيطالي؛ ال مركز علوم النانو وتكنولوجيا النانو في باليزو ، فرنسا؛ وشركة الحوسبة الكمومية الضوئية كوانديلا شيد "اختبار عدم قابلية التمييز" لأربعة فوتونات. يتكون نظامهم من لوح زجاجي طبعوا فيه ثمانية أدلة موجية باستخدام تقنية الكتابة بالليزر. باستخدام مصدر نقطة كمومية لأشباه الموصلات ، أرسلوا الفوتونات مرارًا وتكرارًا إلى موجهات الموجات ، ثم سجلوا أي الفوتونات مشغول بالفوتون.
بعد ذلك ، استخدموا جهاز تسخين دقيق لتسخين أحد الموجهات الموجية التي تحتوي على فوتون. أدت الزيادة في درجة الحرارة إلى تغيير مؤشر انكسار الدليل الموجي ، مما أدى إلى حدوث تغيير في الطور البصري للفوتون وجعله يقفز إلى واحد آخر من أدلة الموجات السبعة بفضل تأثيرات التداخل.
أظهرت التجربة أنه يمكن استخدام سعة التذبذبات بين أدلة الموجة لتحديد معامل عدم القدرة على التمييز الحقيقي ، وهو رقم بين 0 و 1 (مع 1 يتوافق مع فوتونات متطابقة تمامًا). في تجربتهم ، حسبوا عدم قابلية التمييز 0.8.
"في حالة ما اذا n يشرح كريسبي الفوتونات ، فإن مفهوم عدم قابلية التمايز الحقيقي يحدد بالطريقة الأكثر أصالة مدى استحالة التمييز بين هذه الجسيمات ويرتبط بمدى وضوح تأثيرات التداخل الكمي الجماعي. "تعتمد تقنيتنا في قياس هذه الكمية على نوع جديد من مقياس التداخل المصمم لإعطاء ، عند خرجه ، تأثيرات تداخل غير عادية" تختصر "عدم القدرة على التمييز الجماعي الحقيقي لمجموعة كاملة من n الفوتونات فيما يتعلق بعدم إمكانية تمييز مجموعات فرعية جزئية. "
أدوات البصريات الكمومية
في حين أن هذه التقنية يمكن أن تعمل مع أكثر من أربعة فوتونات ، فإن عدد القياسات المطلوبة لملاحظة الاختلافات في عدم القدرة على التمييز يزيد بشكل كبير مع عدد الفوتونات. لذلك لن يكون عمليًا بالنسبة لـ 100 فوتون أو أكثر ، وهو الرقم المحتمل المطلوب لجهاز كمبيوتر ضوئي في المستقبل. ومع ذلك ، يقول كريسبي إنه يمكن استخدامه في تجارب البصريات الكمومية التي يحتاج العلماء فيها إلى معرفة ما إذا كانت الفوتونات لا يمكن تمييزها أم لا.
جدار التداخل يلتقط فوتونات مفردة
"عدم القدرة على التمييز الحقيقي هو معلمة مهمة توفر معلومات عن جودة مصدر متعدد الفوتونات وتحدد كيف n يمكن استخدام الفوتونات في حالات المعلومات المعقدة عالم الفيزياء. "لتطوير تقنيات موثوقة توضح المزايا الكمية لعملية المعلومات الكمية ونقلها ، من الأهمية بمكان ليس فقط تطوير مصادر جيدة ولكن أيضًا تطوير طرق لتوصيف وتحديد جودة هذه الموارد."
عضو فريق سارة توماس، وهو الآن ما بعد الدكتوراة في البصريات الكمومية في امبريال كوليدج لندن ، المملكة المتحدة، يقول إن الطريقة يمكن استخدامها لتحديد مدى جودة حالات الموارد للتجارب مثل أخذ عينات Boson. "ستكون أداة التوصيف هذه مفيدة في فهم القيود الحالية في بناء حالات متعددة الفوتونات والتأثيرات التي ينطوي عليها ذلك على التداخل الكمي ، وبالتالي من المحتمل إيجاد طرق لتحسين حالات الموارد هذه" ، كما تقول.
وفقًا للباحثين ، فإن أجهزتهم المبتكرة تسمح لهم بالملاحظة المباشرة لتأثيرات التداخل الغريبة التي قد تفتح مسارات جديدة للبحث الأساسي حول التداخل الكمي متعدد الجسيمات ، حتى ما وراء الضوئيات. يكشف توماس: "يمكننا استكشاف الآثار المترتبة على هذه التأثيرات في علم القياس الكمي - أي من أجل التقدير المعزز للكميات الفيزيائية عن طريق التأثيرات الممكَّنة من الكم".
العمل الحالي مفصل في مراجعة البدنية X.
