Taaselustatud footonite põimumine võib parandada kvantkommunikatsiooni ja pildistamist   

India teadlased on näidanud, et footonite põimumine teatud pidevas muutumises taastub, kui footonid levivad oma allikast eemale. Avastus võib osutuda kasulikuks kvantteabe turvaliseks edastamiseks pikkade vahemaade tagant ja kvantpildistamiseks turbulentses meedias.

Füüsikud uurivad laialdaselt footonite vahelist kvantpõimumist, sageli eesmärgiga arendada uusi arvutus-, side-, taju- ja pildistamistehnoloogiaid. Mõned potentsiaalsed rakendused nõuavad takerdunud footonite saatmist pikkadele vahemaadele või läbi turbulentse keskkonna ilma kadudeta. Siiski on praegu väga keeruline säilitada teatud tüüpi takerdumist sellistes tingimustes – ja edu võib sõltuda paljudest teguritest, sealhulgas sellest, kuidas kvantteave footonitesse kodeeritakse.

Nüüd Anand Jha ja kolleegid Kvantoptika ja põimumislabor India Tehnoloogiainstituudis Kanpur on pakkunud võimaliku lahenduse, kasutades teabe kodeerimiseks footonite nurkpositsioone. Nad täheldasid, et takerdumine näib kaduvat footonite levides, kuid ilmub siis kummalisel kombel uuesti. Samuti näitasid nad, et takerdumise taaselustamine toimub isegi pärast seda, kui footonid liiguvad läbi turbulentse õhu, mis tavaliselt hävitaks takerdumise. Nad kirjeldavad oma uurimistööd aastal Teadus ettemaksed.

Footonite takerdumine

Footonitel on palju erinevaid vabadusastmeid, mida saab kasutada kvantinformatsiooni kodeerimiseks. Valik sõltub sellest, millist teavet tuleb kodeerida. Kubitite puhul saab kasutada diskreetseid omadusi, nagu footoni polarisatsioon või orbiidi nurkimment. Kuid mõnikord, eriti tuvastamise ja pildistamise eesmärgil, on parem kvantteavet pidevamalt kodeerida. Sellistes rakendustes on enim uuritud takerdunud omadus ehk "alus" footoni asukoht, mis on antud selle ristkoordinaatidega.

Kvantpõimumise nähtus annab osakestele lähedasema suhte, kui seda lubab klassikaline füüsika, ja ei sõltu sellest, millist konkreetset alust kvantteabe kodeerimiseks kasutatakse. Kuid takerdumise kasutamise või mõõtmise viis katses ei pruugi olla alustest sõltumatu. See kehtib takerdumise „tunnistaja“ kohta, mis on matemaatiline suurus, mis määrab, kas süsteem on takerdunud. Tunnistajad sõltuvad pidevatest alustest ja see sõltuvus tähendab, et teatud tüüpi pidev põimumine võib olla kasulikum kui teised.

Positsiooni-impulsi põhinedes sureb põimumine läbi tunnistaja väga kiiresti, kui footonid levivad oma allikast eemale. Sellest ülesaamiseks pildistavad teadlased tavaliselt allika enda, et kasutada footonite vahelist takerdumist. Mis tahes turbulents teel hävitab ka takerdumise kiiresti, nõudes selle taaselustamiseks keerulisi lahendusi, nagu adaptiivne optika. Need täiendavad parandusmeetmed piiravad nende takerdunud footonite kasulikkust.

See Jha ja tema kolleegide uusim uurimus uurib, kuidas takerdumist saab säilitada, kasutades selleks tihedalt seotud alternatiivset alust - footoni nurkasendit.

Põimumise tekitamine, kaotamine ja taaselustamine

Oma katses genereerisid teadlased takerdunud footonid, saates suure võimsusega "pumba" laseri valgust mittelineaarsesse kristalli. Tingimustes, kus footonite energia ja moment on säilinud, tekitab üks pumbafooton kaks takerdunud footoni protsessis, mida nimetatakse spontaanseks parameetriliseks allamuundamiseks (SPDC). Need kaks footonit on kõigis oma omadustes takerdunud. Näiteks kui footon tuvastatakse ühes kohas, määratakse teise takerdunud footoni asukoht automaatselt. Korrelatsioon on olemas ka teiste suuruste puhul, nagu impulss, nurkasend ja orbiidi nurkimpulss.

Tunnistaja läbi ilma parandusmeetmeteta täheldasid teadlased, et footonite vaheline asendi põimumine kaob pärast umbes 4 cm levimist. Teisest küljest juhtub nurgaasendi põimumise puhul midagi huvitavat. See kaob pärast umbes 5 cm levimist, kuid pärast seda, kui footonid on liikunud veel 20 cm, tekib uuesti takerdumine (vt joonist). Teadlased kinnitasid oma katsetulemusi kvalitatiivselt numbrilise mudeliga.

Destilleerimismeetod tugevdab kvantpõimumist ühes footonipaaris

Sama suundumust täheldati ka siis, kui meeskond lõi segatud footonite teele tormilise keskkonna. Seda tehti puhumiskuumuti abil õhu segamiseks ja selle murdumisnäitaja muutmiseks. Sel juhul taaselustati takerdumine pärast seda, kui valgus oli levinud pikema, umbes 45 cm kaugusele.

Veel ei ole täielikult teada, mis põhjustab nurgaasendi aluse takerdumise uuesti ilmnemise. Alus on eriline, kuna see keerdub pärast täisringi. Jha sõnul on see üks selle eristavaid tegureid.

Kuigi uuring näitab vastupidavust alla meetri vahemaadel, väidavad Jha ja kolleegid, et taaselustamine on võimalik ka kilomeetrite vahemaadel. See võib võimaldada kvantinformatsiooni edastamist atmosfääri turbulentsi kaudu ilma takerdumist hävitamata. Turbulentsist tingitud vastupidavus võib võimaldada ka objektide kvantkujutist hägusates biokeemilistes keskkondades minimaalse sissetungi või hävitamisega.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/revived-photon-entanglement-could-enhance-quantum-communication-and-imaging/