Wie ununterscheidbar sind sie in einer Stichprobe nicht unterscheidbarer Photonen? Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat diese Frage nun beantwortet, indem es die erste präzise Messung der Multi-Photonen-Ununterscheidbarkeit durchgeführt hat. Unter Verwendung eines neuartigen optischen Interferometers, das auf miteinander verbundenen Wellenleitern basiert, zeigte das Team, dass es möglich ist, sowohl die Leistung von Einzelphotonenquellen als auch die Erzeugung von Mehrphotonenzuständen in quantenoptischen Experimenten zu überprüfen – eine Leistung des Teammitglieds Andrea Cresp beschreibt als Hinzufügen „eines zusätzlichen Elements zur Werkzeugkiste des Quantenoptik-Experimentators“.
In der von der klassischen Physik beherrschten Alltagswelt finden wir immer Wege zu erkennen, welches makroskopische Objekt welches ist, auch wenn viele Objekte oberflächlich identisch aussehen. In der Quantenwelt können Teilchen jedoch im tiefsten Sinne identisch sein, erklärt Crespi, Physiker am Polytechnische Universität Mailand, Italien. Dies macht es wirklich unmöglich, ein Teilchen vom anderen zu unterscheiden, und führt zu wellenartigen Verhaltensweisen wie Interferenzen.
Dieses ungewöhnliche Verhalten macht identische Photonen zu einer Schlüsselressource in optischen Quantentechnologien. Beim Quantencomputing bilden sie beispielsweise die Grundlage der Qubits oder Quantenbits, mit denen Berechnungen durchgeführt werden. In der Quantenkommunikation werden sie verwendet, um Informationen über große Quantennetzwerke zu senden.
Echte Ununterscheidbarkeit beweisen
Um zu prüfen, ob zwei Photonen nicht unterscheidbar sind, schicken Forscher sie üblicherweise durch ein Interferometer, in dem zwei Kanäle oder Wellenleiter so nah beieinander liegen, dass jedes der Photonen einen von beiden passieren kann. Wenn die beiden Photonen vollkommen ununterscheidbar sind, landen sie immer zusammen im selben Wellenleiter. Diese Technik kann jedoch nicht für größere Mengen von Photonen verwendet werden, denn selbst wenn sie für alle möglichen Zwei-Photonen-Kombinationen wiederholt würde, würde sie immer noch nicht ausreichen, um die Menge der Mehrphotonen vollständig zu charakterisieren. Aus diesem Grund ist die „echte Ununterscheidbarkeit“ – ein Parameter, der quantifiziert, wie nahe ein Satz von Photonen an diesem idealen, identischen Zustand ist – für mehrere Photonen so schwer zu messen.
In der neuen Arbeit haben Forscher aus Mailand und der Universität Rom „La Sapienza“ in Italien; das Italienischer Forschungsrat; das Zentrum für Nanowissenschaften und Nanotechnologie in Palaiseau, Frankreich; und die Firma für photonische Quantencomputer Quandela konstruierten einen „Ununterscheidbarkeitstest“ für vier Photonen. Ihr System bestand aus einer Glasplatte, in die sie mit einem Laserschreibverfahren acht Wellenleiter eingedruckt hatten. Mithilfe einer Halbleiter-Quantenpunktquelle schickten sie die Photonen wiederholt in die Wellenleiter und zeichneten dann auf, welche mit einem Photon besetzt waren.
Als nächstes verwendeten sie einen Mikroheizer, um einen der Wellenleiter aufzuwärmen, der ein Photon enthielt. Der Temperaturanstieg veränderte den Brechungsindex des Wellenleiters, wodurch sich die optische Phase des Photons änderte und es aufgrund von Interferenzeffekten zu einem anderen von sieben Wellenleitern hüpfte.
Das Experiment zeigte, dass die Amplitude der Schwingungen zwischen Wellenleitern verwendet werden kann, um den echten Ununterscheidbarkeitsparameter zu bestimmen, der eine Zahl zwischen 0 und 1 ist (wobei 1 vollkommen identischen Photonen entspricht). In ihrem Experiment errechneten sie eine Ununterscheidbarkeit von 0.8.
"Im Falle des n Photonen quantifiziert das Konzept der echten Ununterscheidbarkeit auf authentischste Weise, wie unmöglich es ist, diese Teilchen zu unterscheiden, und es hängt damit zusammen, wie ausgeprägt die kollektiven Quanteninterferenzeffekte sind“, erklärt Crespi. „Unsere Technik zur Messung dieser Größe basiert auf einer neuen Art von Interferometer, das so konzipiert ist, dass es an seinem Ausgang ungewöhnliche Interferenzeffekte liefert, die die kollektive echte Ununterscheidbarkeit des gesamten Satzes von Interferenzen „destillieren“. n Photonen in Bezug auf die Ununterscheidbarkeit partieller Teilmengen.“
Werkzeuge für die Quantenoptik
Während die Technik mit mehr als vier Photonen arbeiten könnte, steigt die Anzahl der Messungen, die erforderlich sind, um Variationen zur Ununterscheidbarkeit zu beobachten, exponentiell mit der Anzahl der Photonen an. Es wäre daher für 100 Photonen oder mehr nicht praktikabel, was die wahrscheinliche Anzahl ist, die für einen zukünftigen optischen Computer erforderlich ist. Laut Crespi könnte es jedoch in Quantenoptik-Experimenten verwendet werden, bei denen Wissenschaftler wissen müssen, ob Photonen nicht unterscheidbar sind oder nicht.
Interferenzwand fängt einzelne Photonen ein
„Die echte Ununterscheidbarkeit ist ein entscheidender Parameter, der Auskunft über die Qualität einer Multiphotonenquelle gibt und wie diese bestimmt n Photonen könnten komplexe Informationszustände sein“, sagt er Physik-Welt. „Um zuverlässige Technologien zu entwickeln, die quantitative Vorteile für die Verarbeitung und Übertragung von Quanteninformationen aufweisen, ist es entscheidend, nicht nur gute Quellen zu entwickeln, sondern auch Methoden zur Charakterisierung und Quantifizierung der Qualität dieser Ressourcen zu entwickeln.“
Teammitglied Sarah Thomas, der jetzt Postdoc in Quantenoptik bei ist Imperial College London, Vereinigtes Königreich, sagt, dass die Methode verwendet werden könnte, um zu quantifizieren, wie gut die Ressourcenzustände für Experimente wie Boson-Sampling sind. „Ein solches Charakterisierungstool wird nützlich sein, um die aktuellen Einschränkungen beim Aufbau von Multiphotonenzuständen und die Auswirkungen zu verstehen, die dies auf Quanteninterferenzen hat, und daher möglicherweise Wege zur Verbesserung dieser Ressourcenzustände zu finden“, sagt sie.
Mit ihrem innovativen Gerät können die Forscher den Forschern zufolge eigenartige Interferenzeffekte direkt beobachten, die der Grundlagenforschung zur Vielteilchen-Quanteninterferenz auch jenseits der Photonik neue Wege eröffnen könnten. „Wir könnten die Implikationen dieser Effekte in der Quantenmetrologie erforschen – also für die verbesserte Abschätzung physikalischer Größen durch quantengestützte Effekte“, verrät Thomas.
Die vorliegende Arbeit ist detailliert in Körperliche Überprüfung X..
