در نمونه‌ای از فوتون‌های غیرقابل تشخیص، چقدر غیرقابل تشخیص هستند؟ اکنون یک تیم بین المللی از دانشمندان با انجام اولین اندازه گیری دقیق عدم تشخیص چند فوتونی به این سوال پاسخ داده اند. با استفاده از یک نوع نوآورانه تداخل سنج نوری مبتنی بر موجبرهای به هم پیوسته، این تیم نشان داد که می‌توان هم عملکرد منابع تک فوتون و هم تولید حالت‌های چند فوتونی را در آزمایش‌های اپتیک کوانتومی بررسی کرد - یکی از اعضای تیم دستاورد آندره کرسپی توضیح می دهد که "یک عنصر اضافی به جعبه ابزار آزمایشگر اپتیک کوانتومی" اضافه می شود.
در دنیای روزمره که توسط فیزیک کلاسیک اداره می‌شود، ما همیشه می‌توانیم راه‌هایی پیدا کنیم تا بفهمیم کدام شی ماکروسکوپی کدام است، حتی اگر بسیاری از اجسام به طور سطحی یکسان به نظر برسند. کرسپی، فیزیکدان دانشگاه، توضیح می‌دهد که در دنیای کوانتومی، ذرات می‌توانند از نظر عمیق یکسان باشند. دانشگاه پلی تکنیک میلان، ایتالیا. این امر واقعاً تشخیص یک ذره از ذره دیگر را غیرممکن می کند و منجر به رفتارهای موج مانندی مانند تداخل می شود.
این رفتارهای غیرعادی فوتون های یکسان را به منبعی کلیدی در فناوری های کوانتومی نوری تبدیل می کند. به عنوان مثال، در محاسبات کوانتومی، آنها اساس کیوبیت ها یا بیت های کوانتومی را تشکیل می دهند که برای انجام محاسبات استفاده می شوند. در ارتباطات کوانتومی از آنها برای ارسال اطلاعات از طریق شبکه های کوانتومی در مقیاس بزرگ استفاده می شود.
اثبات عدم تمایز واقعی
برای بررسی اینکه آیا دو فوتون قابل تشخیص نیستند، محققان معمولاً آنها را از طریق یک تداخل سنج می فرستند که در آن دو کانال یا موجبر آنقدر نزدیک هستند که هر یک از فوتون ها می توانند از هر یک از آنها عبور کنند. اگر دو فوتون کاملاً غیرقابل تشخیص باشند، همیشه در یک موجبر با هم قرار می گیرند. با این حال، این تکنیک را نمی توان برای مجموعه های بزرگتر فوتون استفاده کرد، زیرا حتی اگر برای همه ترکیبات دو فوتونی ممکن تکرار شود، باز هم برای مشخص کردن کامل مجموعه چند فوتون کافی نیست. به همین دلیل است که «تمایزناپذیری واقعی» - پارامتری که میزان نزدیکی مجموعه‌ای از فوتون‌ها به این حالت ایده‌آل و یکسان را کمی نشان می‌دهد - اندازه‌گیری برای چندین فوتون بسیار دشوار است.
در کار جدید، محققان از میلان و دانشگاه رم "La Sapienza" در ایتالیا؛ شورای تحقیقات ایتالیا؛ مرکز علوم و نانوتکنولوژی در Palaiseau، فرانسه; و شرکت محاسبات کوانتومی فوتونیک کواندلا یک "آزمون عدم تشخیص" برای چهار فوتون ساخته شد. سیستم آنها شامل یک صفحه شیشه ای بود که در آن هشت موجبر را با استفاده از تکنیک نوشتن لیزری نقش بسته بودند. آنها با استفاده از یک منبع نقطه کوانتومی نیمه هادی، فوتون ها را به طور مکرر به داخل موجبرها فرستادند، سپس ثبت کردند که کدام یک با فوتون اشغال شده است.
سپس از یک میکروهیتر برای گرم کردن یکی از موجبرهایی که حاوی فوتون بود استفاده کردند. افزایش دما ضریب شکست موجبر را تغییر داد و باعث تغییر در فاز نوری فوتون شد و به لطف اثرات تداخلی باعث شد که به یکی از هفت موجبر دیگر بپرد.
آزمایش نشان داد که دامنه نوسانات بین موجبرها می تواند برای تعیین پارامتر غیرقابل تشخیص واقعی، که عددی بین 0 و 1 است (با 1 مربوط به فوتون های کاملاً یکسان) استفاده شود. آنها در آزمایش خود، عدم تشخیص را 0.8 محاسبه کردند.
"در شرایطی که n کرسپی توضیح می‌دهد که فوتون‌ها، مفهوم غیرقابل تمایز واقعی به معتبرترین روش، میزان غیرممکن بودن تمایز این ذرات را مشخص می‌کند و به میزان تلفظ اثرات تداخل کوانتومی جمعی مربوط می‌شود. «تکنیک ما برای اندازه‌گیری این کمیت مبتنی بر نوع جدیدی از تداخل‌سنج است که در خروجی‌اش، اثرات تداخل غیرمعمولی را ارائه می‌کند که غیرقابل تشخیص واقعی مجموعه کامل را «تقطیر» می‌کند. n فوتون ها با توجه به تشخیص ناپذیری زیر مجموعه های جزئی.
ابزارهای اپتیک کوانتومی
در حالی که این تکنیک می‌تواند با بیش از چهار فوتون کار کند، تعداد اندازه‌گیری‌های مورد نیاز برای مشاهده تغییرات برای عدم تشخیص به طور تصاعدی با تعداد فوتون‌ها افزایش می‌یابد. بنابراین برای 100 فوتون یا بیشتر، که تعداد احتمالی مورد نیاز برای یک کامپیوتر نوری آینده است، عملی نخواهد بود. کرسپی می‌گوید که می‌توان از آن در آزمایش‌های اپتیک کوانتومی استفاده کرد که در آن دانشمندان باید بدانند که آیا فوتون‌ها قابل تشخیص نیستند یا خیر.
دیوار تداخلی تک فوتون ها را می گیرد
«تمایزناپذیری واقعی یک پارامتر حیاتی است که اطلاعاتی در مورد کیفیت یک منبع چند فوتونی ارائه می‌کند و تعیین می‌کند که چگونه این منبع n فوتون ها را می توان در حالت های اطلاعاتی پیچیده استفاده کرد دنیای فیزیک. برای توسعه فناوری‌های قابل اعتمادی که مزایای کمی را برای فرآیند و انتقال اطلاعات کوانتومی نشان می‌دهند، نه تنها توسعه منابع خوب بلکه توسعه روش‌هایی برای توصیف و کمی کردن کیفیت این منابع بسیار مهم است.
عضو تیم سارا توماس، که اکنون یک پسادکتر در اپتیک کوانتومی است امپریال کالج لندن ، انگلستانمی‌گوید این روش می‌تواند برای تعیین کمیت وضعیت منابع خوب برای آزمایش‌هایی مانند نمونه‌گیری بوزون استفاده شود. او می‌گوید: «چنین ابزار مشخص‌سازی برای درک محدودیت‌های فعلی در ساخت حالت‌های چند فوتونی و پیامد آن بر تداخل کوانتومی مفید خواهد بود، و بنابراین به طور بالقوه یافتن مسیرهایی برای بهبود این حالت‌های منبع مفید خواهد بود.
به گفته محققان، دستگاه ابداعی آنها به آنها اجازه می دهد مستقیماً اثرات تداخلی عجیب و غریب را مشاهده کنند که ممکن است مسیرهای جدیدی را برای تحقیقات اساسی در مورد تداخل کوانتومی چند ذره، حتی فراتر از فوتونیک، باز کند. توماس می‌گوید: «ما می‌توانیم پیامدهای این اثرات را در مترولوژی کوانتومی - یعنی برای تخمین افزایش‌یافته کمیت‌های فیزیکی با استفاده از اثرات فعال‌شده کوانتومی، بررسی کنیم.»
کار حاضر به تفصیل در بررسی فیزیکی X.
