Genoplivet fotonsammenfiltring kunne forbedre kvantekommunikation og billeddannelse   

Forskere i Indien har vist, at fotonsammenfiltring i en vis kontinuert-variabel basis genopliver sig selv, når fotonerne forplanter sig væk fra deres kilde. Opdagelsen kan vise sig nyttig til sikker transmission af kvanteinformation over lange afstande og til kvantebilleder i turbulente medier.

Kvantesammenfiltring mellem fotoner udforskes i vid udstrækning af fysikere, ofte med det formål at udvikle nye kvanteteknologier til databehandling, kommunikation, sansning og billeddannelse. Nogle potentielle applikationer kræver at sende sammenfiltrede fotoner over lange afstande eller gennem turbulente miljøer uden tab. Det er dog i øjeblikket meget vanskeligt at bevare visse typer sammenfiltring under disse omstændigheder - og succes kan afhænge af mange faktorer, herunder hvordan kvanteinformationen er kodet i fotonerne.

Nu Anand Jha og kolleger på Laboratorium for kvanteoptik og sammenfiltring ved Indian Institute of Technology Kanpur har givet en mulig løsning ved at bruge fotonernes vinkelpositioner til at indkode information. De observerede, at sammenfiltring ser ud til at forsvinde, efterhånden som fotonerne forplanter sig, men så mærkeligt nok dukker op igen. De viste også, at genoplivningen af ​​sammenfiltring sker, selv efter at fotonerne rejser gennem turbulent luft, hvilket normalt ville ødelægge sammenfiltringen. De beskriver deres forskning i Science Forskud.

Fotonsammenfiltring

Fotoner har mange forskellige frihedsgrader, der kan bruges til at indkode kvanteinformation. Valget afhænger af den type information, der skal kodes. For qubits kan diskrete egenskaber såsom polarisationen eller det orbitale vinkelmoment af en foton bruges. Men nogle gange, især til sansning og billeddannelse, er det bedre at indkode kvanteinformation på en mere kontinuerlig måde. I sådanne applikationer er den mest udforskede sammenfiltrede egenskab - eller "basis" - positionen af ​​en foton givet af dens kartesiske koordinater.

The phenomenon of quantum entanglement imparts to particles a closer relationship than is allowed by classical physics and is independent of which particular basis is used to encode quantum information. However, the way entanglement is used or measured in an experiment may not be basis-independent. This applies to an entanglement “witness”, which is a mathematical quantity that determines whether a system is entangled. Witnesses are basis-dependent for continuous bases and this dependence means that some types of continuous entanglement can be more useful than others.

For the position-momentum basis, the entanglement, as seen through the witness, dies out very quickly as the photons propagate away from their source. To get around this, scientists usually image the source itself to use entanglement between photons. Any turbulence in the path also rapidly destroys the entanglement, requiring complex solutions like adaptive optics to revive it. These additional corrective steps limit the utility of these entangled photons.

Denne seneste forskning foretaget af Jha og kolleger udforsker, hvordan sammenfiltring kan bevares ved at bruge et nært beslægtet alternativt grundlag - en fotons vinkelposition.

Generating, losing and reviving entanglement

I deres eksperiment genererede forskerne sammenfiltrede fotoner ved at sende lys fra en højeffekt "pumpe"-laser ind i en ikke-lineær krystal. Under forhold, hvor fotonernes energier og momenta er bevaret, vil en pumpefoton producere to sammenfiltrede fotoner i en proces kaldet spontan parametrisk nedkonvertering (SPDC). De to fotoner er viklet ind i alle deres egenskaber. Hvis en foton detekteres på et sted, for eksempel, bestemmes positionen af ​​den anden sammenfiltrede foton automatisk. Korrelationen eksisterer også for andre størrelser, såsom momentum, vinkelposition og orbital vinkelmomentum.

Som set gennem vidnet uden nogen korrigerende foranstaltninger, observerede forskerne, at positionssammenfiltring mellem fotoner forsvinder efter omkring 4 cm udbredelse. På den anden side sker der noget interessant for vinkelpositionssammenfiltring. Det forsvinder efter cirka 5 cm udbredelse, men efter at fotonerne har rejst yderligere 20 cm, opstår der igen sammenfiltring (se figur). Forskerne bekræftede deres eksperimentelle resultater kvalitativt med en numerisk model.

Destillationsmetoden styrker kvantesammenfiltringen i et enkelt par fotoner

Den samme tendens blev observeret, da holdet skabte et turbulent miljø på vejen for de sammenfiltrede fotoner. Dette blev gjort ved hjælp af en blæsevarmer til at røre luft op og ændre dens brydningsindeks. I dette tilfælde blev sammenfiltringen genoplivet, efter at lyset havde forplantet sig over en længere afstand på omkring 45 cm.

Det vides endnu ikke helt, hvad der forårsager, at sammenfiltringen i vinkelpositionsgrundlaget dukker op igen. Grundlaget er specielt, fordi det vikler sig rundt efter en hel cirkel. Det er en af ​​dens karakteristiske faktorer, ifølge Jha.

Selvom undersøgelsen viser robusthed over afstande på mindre end en meter, hævder Jha og kolleger, at genoplivningen også er mulig over kilometerafstande. Dette kunne gøre det muligt at transmittere kvanteinformation gennem atmosfærisk turbulens uden at ødelægge sammenfiltring. Robusthed gennem turbulens kunne også give mulighed for kvantebilleder af objekter i uklare biokemiske miljøer med minimal invasion eller ødelæggelse.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/revived-photon-entanglement-could-enhance-quantum-communication-and-imaging/