Σε ένα δείγμα δυσδιάκριτων φωτονίων, πόσο δυσδιάκριτα είναι; Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων απάντησε τώρα σε αυτό το ερώτημα κάνοντας την πρώτη ακριβή μέτρηση της δυσδιάκρισης πολλαπλών φωτονίων. Χρησιμοποιώντας έναν καινοτόμο τύπο οπτικού συμβολόμετρου που βασίζεται σε διασυνδεδεμένους κυματοδηγούς, η ομάδα έδειξε ότι είναι δυνατό να ελεγχθεί τόσο η απόδοση των πηγών ενός φωτονίου όσο και η δημιουργία καταστάσεων πολλαπλών φωτονίων σε πειράματα κβαντικής οπτικής – ένα μέλος της ομάδας επιτεύγματος Αντρέα Κρέσπη περιγράφει ως προσθήκη «ένα επιπλέον στοιχείο στην εργαλειοθήκη του πειραματιστή κβαντικής οπτικής».
Στον καθημερινό κόσμο που διέπεται από την κλασική φυσική, μπορούμε πάντα να βρίσκουμε τρόπους να πούμε ποιο μακροσκοπικό αντικείμενο είναι ποιο, ακόμα κι αν πολλά αντικείμενα φαίνονται επιφανειακά πανομοιότυπα. Στον κβαντικό κόσμο, ωστόσο, τα σωματίδια μπορούν να είναι πανομοιότυπα με μια βαθιά έννοια, εξηγεί ο Crespi, ένας φυσικός στο Πολυτεχνείο του Μιλάνου, Ιταλία. Αυτό καθιστά πραγματικά αδύνατη τη διάκριση ενός σωματιδίου από το άλλο και οδηγεί σε συμπεριφορές που μοιάζουν με κύμα, όπως η παρεμβολή.
Αυτές οι ασυνήθιστες συμπεριφορές καθιστούν τα πανομοιότυπα φωτόνια βασικό πόρο στις οπτικές κβαντικές τεχνολογίες. Στον κβαντικό υπολογισμό, για παράδειγμα, αποτελούν τη βάση των qubits, ή των κβαντικών bit, που χρησιμοποιούνται για την εκτέλεση υπολογισμών. Στην κβαντική επικοινωνία, χρησιμοποιούνται για την αποστολή πληροφοριών μέσω κβαντικών δικτύων μεγάλης κλίμακας.
Αποδεικνύοντας γνήσια δυσδιάκριση
Για να ελέγξουν αν δύο φωτόνια είναι δυσδιάκριτα, οι ερευνητές τα στέλνουν συνήθως μέσω ενός συμβολόμετρου στο οποίο δύο κανάλια ή κυματοδηγοί είναι τόσο κοντά που καθένα από τα φωτόνια μπορεί να περάσει μέσα από κάποιο από αυτά. Εάν τα δύο φωτόνια είναι τελείως αδιάκριτα, καταλήγουν πάντα μαζί στον ίδιο κυματοδηγό. Ωστόσο, αυτή η τεχνική δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μεγαλύτερα σύνολα φωτονίων, γιατί ακόμα κι αν επαναλαμβανόταν για όλους τους πιθανούς συνδυασμούς δύο φωτονίων, δεν θα ήταν αρκετή για να χαρακτηριστεί πλήρως το σύνολο πολλών φωτονίων. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η "γνήσια δυσδιάκριση" - μια παράμετρος που ποσοτικοποιεί πόσο κοντά είναι ένα σύνολο φωτονίων σε αυτήν την ιδανική, πανομοιότυπη κατάσταση - είναι τόσο δύσκολο να μετρηθεί για πολλά φωτόνια.
Στη νέα εργασία, ερευνητές από το Μιλάνο και το Πανεπιστήμιο της Ρώμης «La Sapienza» στην Ιταλία? Η Ιταλικό Συμβούλιο Ερευνών? Η Κέντρο Νανοεπιστημών και Νανοτεχνολογίας στο Palaiseau, Γαλλία; και η φωτονική εταιρεία κβαντικών υπολογιστών Κουαντέλα κατασκεύασε μια «δοκιμή δυσδιάκρισης» για τέσσερα φωτόνια. Το σύστημά τους αποτελούνταν από μια γυάλινη πλάκα στην οποία είχαν αποτυπώσει οκτώ κυματοδηγούς χρησιμοποιώντας μια τεχνική γραφής με λέιζερ. Χρησιμοποιώντας μια πηγή ημιαγωγών κβαντικής κουκκίδας, έστειλαν επανειλημμένα τα φωτόνια στους κυματοδηγούς και στη συνέχεια κατέγραψαν ποια ήταν κατειλημμένα με ένα φωτόνιο.
Στη συνέχεια, χρησιμοποίησαν έναν μικροθερμαντήρα για να ζεστάνουν έναν από τους κυματοδηγούς που περιείχε ένα φωτόνιο. Η αύξηση της θερμοκρασίας άλλαξε τον δείκτη διάθλασης του κυματοδηγού, προκαλώντας αλλαγή στην οπτική φάση του φωτονίου και αναγκάζοντας το να μεταπηδήσει σε έναν άλλον από επτά κυματοδηγούς χάρη στα φαινόμενα παρεμβολής.
Το πείραμα έδειξε ότι το πλάτος των ταλαντώσεων μεταξύ των κυματοδηγών θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της παραμέτρου γνήσιας δυσδιάκρισης, που είναι ένας αριθμός μεταξύ 0 και 1 (με το 1 να αντιστοιχεί σε απόλυτα πανομοιότυπα φωτόνια). Στο πείραμά τους, υπολόγισαν δυσδιάκριτο 0.8.
"Σε περίπτωση που n φωτόνια, η έννοια της γνήσιας δυσδιάκρισης ποσοτικοποιεί με τον πιο αυθεντικό τρόπο πόσο αδύνατο είναι να διακριθούν αυτά τα σωματίδια και σχετίζεται με το πόσο έντονα είναι τα συλλογικά φαινόμενα κβαντικής παρεμβολής», εξηγεί ο Crespi. «Η τεχνική μας για τη μέτρηση αυτής της ποσότητας βασίζεται σε ένα νέο είδος συμβολόμετρου που έχει σχεδιαστεί για να δίνει, στην έξοδό του, ασυνήθιστα αποτελέσματα παρεμβολής που «αποστάζουν» τη συλλογική γνήσια δυσδιάκριτη διάκριση του πλήρους συνόλου n φωτόνια σε σχέση με τη δυσδιάκριση μερικών υποσυνόλων.
Εργαλεία για κβαντική οπτική
Ενώ η τεχνική θα μπορούσε να λειτουργήσει με περισσότερα από τέσσερα φωτόνια, ο αριθμός των μετρήσεων που απαιτούνται για την παρατήρηση των παραλλαγών για δυσδιάκριτο αυξάνει εκθετικά με τον αριθμό των φωτονίων. Επομένως, δεν θα ήταν πρακτικό για 100 φωτόνια ή περισσότερα, που είναι ο πιθανός αριθμός που απαιτείται για έναν μελλοντικό οπτικό υπολογιστή. Τούτου λεχθέντος, ο Crespi λέει ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε πειράματα κβαντικής οπτικής στα οποία οι επιστήμονες πρέπει να γνωρίζουν εάν τα φωτόνια είναι δυσδιάκριτα ή όχι.
Τοίχωμα παρεμβολής συλλαμβάνει μεμονωμένα φωτόνια
«Η γνήσια δυσδιάκριση είναι μια κρίσιμη παράμετρος που παρέχει πληροφορίες για την ποιότητα μιας πηγής πολλαπλών φωτονίων και καθορίζει τον τρόπο n Τα φωτόνια θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν περίπλοκες καταστάσεις πληροφοριών», λέει Κόσμος Φυσικής. «Για να αναπτυχθούν αξιόπιστες τεχνολογίες που επιδεικνύουν ποσοτικά πλεονεκτήματα για την κβαντική διαδικασία και μεταφορά πληροφοριών, είναι σημαντικό όχι μόνο να αναπτυχθούν καλές πηγές αλλά και να αναπτυχθούν μέθοδοι για τον χαρακτηρισμό και την ποσοτικοποίηση της ποιότητας αυτών των πόρων».
Μέλος της ομάδας Σάρα Τόμας, ο οποίος είναι τώρα μεταδιδάκτορας στην κβαντική οπτική στο Imperial College Λονδίνο, Ηνωμένο Βασίλειο, λέει ότι η μέθοδος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να ποσοτικοποιήσει πόσο καλές είναι οι καταστάσεις πόρων για πειράματα όπως η δειγματοληψία μποζονίων. «Ένα τέτοιο εργαλείο χαρακτηρισμού θα είναι χρήσιμο για την κατανόηση των υφιστάμενων περιορισμών στην κατασκευή καταστάσεων πολλαπλών φωτονίων και της σημασίας που έχει αυτό στην κβαντική παρεμβολή, και επομένως στην εύρεση οδών για τη βελτίωση αυτών των καταστάσεων πόρων», λέει.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, η καινοτόμος συσκευή τους επιτρέπει να παρατηρούν άμεσα ιδιόμορφα φαινόμενα παρεμβολής που μπορεί να ανοίξουν νέα μονοπάτια σε θεμελιώδη έρευνα για την κβαντική παρεμβολή πολλών σωματιδίων, ακόμη και πέρα από τη φωτονική. «Θα μπορούσαμε να διερευνήσουμε τις επιπτώσεις αυτών των επιδράσεων στην κβαντική μετρολογία – δηλαδή, για την βελτιωμένη εκτίμηση των φυσικών μεγεθών μέσω επιδράσεων που ενεργοποιούνται από κβαντικά», αποκαλύπτει ο Thomas.
Η παρούσα εργασία περιγράφεται αναλυτικά στο Φυσική εξέταση X.
