درهم تنیدگی فوتون احیا شده می تواند ارتباطات کوانتومی و تصویربرداری را افزایش دهد

درهم تنیدگی فوتون احیا شده می تواند ارتباطات کوانتومی و تصویربرداری را افزایش دهد   

تمبر زمان: 8 ژانویه 2023، 10:24 صبح

تصویری از احیای درهم تنیدگی
از دست دادن و احیا: تصویری هنری از درهم تنیدگی موقعیت زاویه ای که توسط آناند جا و همکاران اندازه گیری شد. (با احترام: Anand Jha)

محققان هندی نشان داده‌اند که درهم‌تنیدگی فوتون‌ها بر اساس متغیر پیوسته مشخص، با انتشار فوتون‌ها از منبع خود، خود را احیا می‌کند. این کشف می تواند برای انتقال ایمن اطلاعات کوانتومی در فواصل طولانی و برای تصویربرداری کوانتومی در رسانه های آشفته مفید باشد.

درهم تنیدگی کوانتومی بین فوتون ها به طور گسترده توسط فیزیکدانان، اغلب با هدف توسعه فناوری های کوانتومی جدید برای محاسبات، ارتباطات، سنجش و تصویربرداری مورد بررسی قرار گرفته است. برخی از کاربردهای بالقوه نیاز به ارسال فوتون های درهم تنیده در فواصل طولانی یا از طریق محیط های آشفته بدون از دست دادن دارند. با این حال، در حال حاضر حفظ انواع خاصی از درهم تنیدگی در این شرایط بسیار دشوار است - و موفقیت می تواند به عوامل زیادی بستگی داشته باشد، از جمله اینکه اطلاعات کوانتومی چگونه در فوتون ها رمزگذاری می شود.

اکنون آناند جا و همکاران در آزمایشگاه اپتیک کوانتومی و درهم تنیدگی در موسسه فناوری هند کانپور با استفاده از موقعیت‌های زاویه‌ای فوتون‌ها برای رمزگذاری اطلاعات، راه‌حل ممکنی را ارائه کرده‌اند. آنها مشاهده کردند که به نظر می رسد درهم تنیدگی با انتشار فوتون ها ناپدید می شود، اما سپس به طور عجیبی دوباره ظاهر می شود. آنها همچنین نشان دادند که احیای درهم تنیدگی حتی پس از حرکت فوتون‌ها در هوای متلاطم اتفاق می‌افتد، که معمولاً درهم تنیدگی را از بین می‌برد. آنها تحقیقات خود را در با پیشرفتهای علمی.

درهم تنیدگی فوتون

فوتون ها دارای درجات مختلفی از آزادی هستند که می توان از آنها برای رمزگذاری اطلاعات کوانتومی استفاده کرد. انتخاب بستگی به نوع اطلاعاتی دارد که باید رمزگذاری شوند. برای کیوبیت ها می توان از ویژگی های گسسته ای مانند قطبش یا تکانه زاویه ای مداری فوتون استفاده کرد. اما گاهی اوقات، به خصوص برای اهداف سنجش و تصویربرداری، بهتر است اطلاعات کوانتومی به صورت پیوسته تر رمزگذاری شود. در چنین کاربردهایی، بیشترین ویژگی درهم تنیده - یا "پایه" - موقعیت یک فوتون است که توسط مختصات دکارتی آن داده می شود.

پدیده درهم تنیدگی کوانتومی به ذرات رابطه نزدیک تری نسبت به آنچه در فیزیک کلاسیک مجاز است می دهد و مستقل از اینکه کدام مبنای خاصی برای رمزگذاری اطلاعات کوانتومی استفاده می شود. با این حال، نحوه استفاده یا اندازه گیری درهم تنیدگی در یک آزمایش ممکن است مستقل از مبنا نباشد. این در مورد "شاهد" درهم تنیدگی صدق می کند، که یک کمیت ریاضی است که تعیین می کند که آیا یک سیستم در هم پیچیده است یا خیر. شاهدها برای پایه های پیوسته وابسته به مبنا هستند و این وابستگی به این معنی است که برخی از انواع درهم تنیدگی مداوم می تواند مفیدتر از سایرین باشد.

برای مبنای موقعیت-تکانه، درهم تنیدگی، همانطور که از طریق شاهد مشاهده می‌شود، با انتشار فوتون‌ها از منبع خود، خیلی سریع از بین می‌رود. برای دور زدن این موضوع، دانشمندان معمولاً از خود منبع تصویر می گیرند تا از درهم تنیدگی بین فوتون ها استفاده کنند. هر گونه آشفتگی در مسیر نیز به سرعت درهم تنیدگی را از بین می برد و برای احیای آن به راه حل های پیچیده ای مانند اپتیک تطبیقی ​​نیاز دارد. این مراحل اصلاحی اضافی، کاربرد این فوتون های درهم تنیده را محدود می کند.

این جدیدترین تحقیق توسط Jha و همکارانش بررسی می‌کند که چگونه درهم تنیدگی را می‌توان با استفاده از یک پایه جایگزین نزدیک به هم حفظ کرد - موقعیت زاویه‌ای یک فوتون.

ایجاد، از دست دادن و احیای درهم تنیدگی

در آزمایش خود، محققان فوتون های درهم تنیده را با ارسال نور از یک لیزر پرقدرت «پمپ» به یک کریستال غیرخطی تولید کردند. در شرایطی که انرژی فوتون‌ها و لحظه‌ای حفظ می‌شوند، یک فوتون پمپ دو فوتون درهم‌تنیده را در فرآیندی به نام تبدیل پارامتری خودبه‌خود به پایین (SPDC) تولید می‌کند. این دو فوتون در تمام خصوصیات خود در هم پیچیده هستند. برای مثال، اگر یک فوتون در یک مکان شناسایی شود، موقعیت فوتون درهم تنیده دیگر به طور خودکار تعیین می شود. این همبستگی برای کمیت های دیگر نیز وجود دارد، مانند تکانه، موقعیت زاویه ای و تکانه زاویه ای مداری.

همانطور که از طریق شاهد بدون هیچ گونه اقدامات اصلاحی مشاهده می شود، محققان مشاهده کردند که درهم تنیدگی موقعیت بین فوتون ها پس از حدود 4 سانتی متر انتشار ناپدید می شود. از سوی دیگر، اتفاق جالبی برای درهم تنیدگی موقعیت زاویه ای می افتد. پس از حدود 5 سانتی متر انتشار ناپدید می شود، اما پس از اینکه فوتون ها 20 سانتی متر دیگر را طی کردند، دوباره درهم تنیدگی ظاهر می شود (شکل را ببینید). محققان نتایج تجربی خود را به صورت کیفی با یک مدل عددی تأیید کردند.

همین روند زمانی مشاهده شد که تیم یک محیط متلاطم در مسیر فوتون های درهم تنیده ایجاد کرد. این کار با استفاده از بخاری دمنده برای به هم زدن هوا و تغییر ضریب شکست آن انجام شد. در این مورد، درهم تنیدگی پس از انتشار نور برای فاصله طولانی تری در حدود 45 سانتی متر، احیا شد.

هنوز به طور کامل مشخص نیست که چه چیزی باعث می شود که درهم تنیدگی در پایه موقعیت زاویه ای دوباره ظاهر شود. اساس خاص است زیرا پس از یک دایره کامل به اطراف می پیچد. به گفته جها، این یکی از عوامل متمایز کننده آن است.

حتی با وجود اینکه این مطالعه استحکام را در فواصل کمتر از یک متر نشان می‌دهد، Jha و همکارانش ادعا می‌کنند که احیا در فواصل کیلومتری نیز امکان‌پذیر است. این می تواند انتقال اطلاعات کوانتومی را از طریق تلاطم جوی بدون از بین بردن درهم تنیدگی ممکن کند. استحکام از طریق تلاطم همچنین می‌تواند امکان تصویربرداری کوانتومی از اجسام را در محیط‌های بیوشیمیایی فازی با حداقل تهاجم یا تخریب فراهم کند.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک