I et udsnit af fotoner, der ikke kan skelnes, hvor kan de ikke skelnes? Et internationalt hold af videnskabsmænd har nu besvaret dette spørgsmål ved at foretage den første præcise måling af multi-foton, der ikke kan skelnes. Ved at bruge en innovativ type optisk interferometer baseret på indbyrdes forbundne bølgeledere viste holdet, at det er muligt at kontrollere både ydeevnen af enkeltfotonkilder og genereringen af multifotontilstande i kvanteoptikeksperimenter - et præstationsteammedlem Andrea Crespi beskriver som at tilføje "et ekstra element til kvanteoptikeksperimenterens værktøjskassen".
I den daglige verden styret af klassisk fysik kan vi altid finde måder at fortælle, hvilket makroskopisk objekt der er hvilket, selvom mange objekter ser overfladisk identiske ud. I kvanteverdenen kan partikler dog være identiske i dyb forstand, forklarer Crespi, fysiker ved Polytekniske Universitet i Milano, Italien. Dette gør det virkelig umuligt at skelne en partikel fra den anden og fører til bølgelignende adfærd såsom interferens.
Denne usædvanlige adfærd gør identiske fotoner til en nøgleressource i optiske kvanteteknologier. I kvanteberegning, for eksempel, danner de grundlaget for de qubits, eller kvantebits, der bruges til at udføre beregninger. I kvantekommunikation bruges de til at sende information over store kvantenetværk.
Beviser ægte uskelnelighed
For at kontrollere, om to fotoner ikke kan skelnes, sender forskere dem normalt gennem et interferometer, hvor to kanaler eller bølgeledere er så tæt på, at hver af fotonerne kan passere gennem en af dem. Hvis de to fotoner er fuldstændig ude af skel, ender de altid sammen i den samme bølgeleder. Denne teknik kan dog ikke bruges til større sæt fotoner, for selvom den blev gentaget for alle mulige to-fotonkombinationer, ville den stadig ikke være nok til fuldt ud at karakterisere multifotonsættet. Dette er grunden til, at "ægte ikke-skelnelighed" - en parameter, der kvantificerer, hvor tæt et sæt fotoner er på denne ideelle, identiske tilstand - er så vanskelig at måle for flere fotoner.
I det nye arbejde har forskere fra Milano og Universitetet i Rom "La Sapienza" i Italien; det det italienske forskningsråd; det Center for Nanovidenskab og Nanoteknologi i Palaiseau, Frankrig; og det fotoniske kvanteberegningsfirma Quandela konstrueret en "udskillelighedstest" for fire fotoner. Deres system bestod af en glasplade, hvori de havde indprentet otte bølgeledere ved hjælp af en laser-skriveteknik. Ved hjælp af en halvlederkvanteprikkilde sendte de gentagne gange fotonerne ind i bølgelederne og registrerede derefter, hvilke der var optaget af en foton.
Dernæst brugte de en mikrovarmer til at varme en af bølgelederne op, der indeholdt en foton. Stigningen i temperatur ændrede bølgelederens brydningsindeks, hvilket inducerede en ændring i fotonens optiske fase og fik den til at hoppe til en anden af syv bølgeledere takket være interferenseffekter.
Eksperimentet viste, at amplituden af oscillationerne mellem bølgeledere kunne bruges til at bestemme den ægte udskillelighedsparameter, som er et tal mellem 0 og 1 (hvor 1 svarer til fuldstændig identiske fotoner). I deres eksperiment beregnede de en uskelnelighed på 0.8.
"I tilfælde af n fotoner, kvantificerer begrebet ægte udskillelighed på den mest autentiske måde, hvor umuligt det er at skelne disse partikler, og det hænger sammen med, hvor udtalte de kollektive kvanteinterferenseffekter er,” forklarer Crespi. "Vores teknik til at måle denne mængde er baseret på en ny slags interferometer designet til at give usædvanlige interferenseffekter ved dets output, der 'destillerer' den kollektive ægte udskillelighed af det fulde sæt af n fotoner med hensyn til udskilleligheden af delvise delmængder."
Værktøjer til kvanteoptik
Mens teknikken kunne arbejde med mere end fire fotoner, øges antallet af målinger, der kræves for at observere variationer, så de ikke kan skelnes, eksponentielt med antallet af fotoner. Det ville derfor ikke være praktisk for 100 fotoner eller mere, hvilket er det sandsynlige antal, der kræves for en fremtidig optisk computer. Når det er sagt, siger Crespi, at det kunne bruges i kvanteoptikeksperimenter, hvor videnskabsmænd skal vide, om fotoner ikke kan skelnes eller ej.
Interferensvæg fanger enkelte fotoner
"Den ægte udemærkelighed er en afgørende parameter, der giver information om kvaliteten af en multi-fotonkilde og bestemmer, hvordan disse n fotoner kunne bruges komplekse informationstilstande,” fortæller han Fysik verden. "For at udvikle pålidelige teknologier, der demonstrerer kvantitative fordele for kvanteinformationsproces og -overførsel, er det afgørende ikke kun at udvikle gode kilder, men også at udvikle metoder til at karakterisere og kvantificere kvaliteten af disse ressourcer."
Medarbejder Sarah thomas, som nu er postdoc i kvanteoptik på Imperial College London, Storbritannien, siger, at metoden kunne bruges til at kvantificere, hvor gode ressourcetilstande er til eksperimenter såsom Boson-prøvetagning. "Et sådant karakteriseringsværktøj vil være nyttigt til at forstå de nuværende begrænsninger i at bygge multi-fotontilstande og den implikation, dette har på kvanteinterferens, og derfor potentielt finde veje til at forbedre disse ressourcetilstande," siger hun.
Ifølge forskerne giver deres innovative enhed dem mulighed for direkte at observere ejendommelige interferenseffekter, der kan åbne nye veje til grundlæggende forskning i multi-partikel kvanteinterferens, selv ud over fotonik. "Vi kunne udforske implikationerne af disse effekter i kvantemetrologi - det vil sige for den forbedrede estimering af fysiske mængder ved hjælp af kvanteaktiverede effekter," afslører Thomas.
Nærværende arbejde er detaljeret i Fysisk gennemgang X.
