Kui eristamatud nad on eristamatute footonite näidises? Rahvusvaheline teadlaste meeskond on nüüd sellele küsimusele vastanud, tehes esimese täpse mõõtmise mitme fotoni eristamatuse kohta. Kasutades uuenduslikku tüüpi optilist interferomeetrit, mis põhinevad omavahel ühendatud lainejuhtidel, näitas meeskond, et kvantoptika katsetes on võimalik kontrollida nii ühefootoniliste allikate jõudlust kui ka mitme footoni olekute genereerimist – saavutusmeeskonna liige Andrea Crespi kirjeldab "kvantoptika eksperimentaatori tööriistakasti lisaelemendi lisamist".
Klassikalise füüsika juhitavas igapäevamaailmas võime alati leida viise, kuidas öelda, milline makroskoopiline objekt on milline, isegi kui paljud objektid näevad pealiskaudselt identsed. Kvantmaailmas võivad osakesed siiski olla sügavas mõttes identsed, selgitab Crespi, teaduskeskuse füüsik. Milano polütehniline ülikool, Itaalia. See muudab ühe osakese teisest eristamise tõeliselt võimatuks ja põhjustab lainelaadset käitumist, näiteks häireid.
Need ebatavalised käitumised muudavad identsed footonid optiliste kvanttehnoloogiate peamiseks ressursiks. Näiteks kvantarvutuses moodustavad need arvutuste tegemiseks kasutatavate kubittide ehk kvantbittide aluse. Kvantkommunikatsioonis kasutatakse neid teabe saatmiseks suuremahuliste kvantvõrkude kaudu.
Tõestades tõelist eristamatust
Kontrollimaks, kas kaks footonit on eristamatud, saadavad teadlased need tavaliselt läbi interferomeetri, milles kaks kanalit ehk lainejuhti on nii lähedal, et kumbki footon võib neist läbida. Kui kaks footonit on täiesti eristamatud, satuvad nad alati koos samasse lainejuhti. Seda tehnikat ei saa aga kasutada suuremate footonite kogumite puhul, sest isegi kui seda korrataks kõigi võimalike kahefootoniliste kombinatsioonide puhul, ei piisaks sellest ikkagi mitme footoni komplekti täielikuks iseloomustamiseks. Seetõttu on „tõelist eristamatust” – parameetrit, mis kvantifitseerib, kui lähedal on footonite kogum sellele ideaalsele, identsele olekule – mitme footoni puhul nii raske mõõta.
Uues töös uurivad Milano ja Rooma La Sapienza ülikool Itaalias; Itaalia teadusnõukogu; Nanoteaduste ja nanotehnoloogia keskus Palaiseau's Prantsusmaal; ja fotoonilise kvantarvutuse ettevõte Quandela konstrueeris nelja footoni "eristamatuse testi". Nende süsteem koosnes klaasplaadist, kuhu nad olid laserkirjutustehnika abil trükkinud kaheksa lainejuhti. Kasutades pooljuht-kvantpunktallikat, saatsid nad footonid korduvalt lainejuhtidesse, seejärel registreerisid, millised olid footoniga hõivatud.
Järgmisena kasutasid nad mikrosoojendit ühe footoni sisaldava lainejuhi soojendamiseks. Temperatuuri tõus muutis lainejuhi murdumisnäitajat, kutsudes esile muutuse footoni optilises faasis ja põhjustades selle hüppamise tänu interferentsiefektidele ühele seitsmest lainejuhist.
Katse näitas, et lainejuhtide vaheliste võnkumiste amplituudi abil saab määrata tõelise eristamatuse parameetri, milleks on arv vahemikus 0 kuni 1 (kus 1 vastab täiesti identsetele footonitele). Oma katses arvutasid nad eristamatuse 0.8.
"Juhul kui n footoneid, tõelise eristamatuse kontseptsioon kvantifitseerib kõige autentsemal viisil, kui võimatu on neid osakesi eristada, ja see on seotud kollektiivsete kvantinterferentsiefektide väljendusega,“ selgitab Crespi. "Meie tehnika selle suuruse mõõtmiseks põhineb uut tüüpi interferomeetril, mis on loodud oma väljundis tekitama ebatavalisi interferentsiefekte, mis "destilleerivad" kogu komplekti kollektiivse tõelise eristamatuse. n footonid osaliste alamhulkade eristamatuse osas.
Kvantoptika tööriistad
Kuigi tehnika võib töötada rohkem kui nelja footoniga, suureneb eristamatuse variatsioonide jälgimiseks vajalike mõõtmiste arv hüppeliselt koos footonite arvuga. Seetõttu ei oleks see otstarbekas 100 või enama footoni jaoks, mis on tõenäoliselt tulevase optilise arvuti jaoks vajalik arv. Sellegipoolest ütleb Crespi, et seda saaks kasutada kvantoptika katsetes, mille käigus teadlased peavad teadma, kas footonid on eristamatud või mitte.
Häiresein püüab kinni üksikud footonid
Tõeline eristamatus on oluline parameeter, mis annab teavet mitme fotoni allika kvaliteedi kohta ja määrab, kuidas need n footoneid saab kasutada keerulistes teabeolekutes, ”räägib ta Füüsika maailm. "Usaldusväärsete tehnoloogiate väljatöötamiseks, mis näitavad kvantiteabe protsessi ja edastamise kvantitatiivseid eeliseid, on oluline mitte ainult heade allikate väljatöötamine, vaid ka meetodite väljatöötamine nende ressursside kvaliteedi iseloomustamiseks ja kvantifitseerimiseks."
Meeskonna liige Sarah Thomas, kes on nüüdseks kvantoptika järeldoktor Imperial College London, Suurbritannia, ütleb, et meetodit saab kasutada selleks, et kvantifitseerida, kui head ressursiseisundid on selliste katsete jaoks nagu Bosoni proovide võtmine. "Selline iseloomustustööriist on kasulik, et mõista praegusi piiranguid mitme fotoni olekute loomisel ja selle mõju kvanthäiretele ning seega potentsiaalselt nende ressursiseisundite parandamise võimaluste leidmiseks, " ütleb ta.
Teadlaste sõnul võimaldab nende uuenduslik seade neil vahetult jälgida omapäraseid interferentsiefekte, mis võivad avada uusi teid mitme osakese kvantinterferentsi käsitlevatele fundamentaaluuringutele isegi väljaspool fotoonikat. "Me võiksime uurida nende mõjude mõju kvantmetroloogiale, st füüsikaliste suuruste täiustatud hindamisele kvantefektide abil, " paljastab Thomas.
Käesolevat tööd on üksikasjalikult kirjeldatud Füüsiline ülevaade X.
