Kuinka erottamattomia ne ovat näytteessä erottamattomista fotoneista? Kansainvälinen tutkijaryhmä on nyt vastannut tähän kysymykseen tekemällä ensimmäisen tarkan mittauksen usean fotonin erottamattomuudesta. Käyttämällä innovatiivista optista interferometriä, joka perustuu toisiinsa yhdistettyihin aaltoputkiin, tiimi osoitti, että on mahdollista tarkistaa sekä yhden fotonin lähteiden suorituskyky että monifotonitilojen muodostuminen kvanttioptiikan kokeissa – saavutustiimin jäsen Andrea Crespi kuvailee "lisäelementin lisäämistä kvanttioptiikan kokeen työkalupakkiin".
Klassisen fysiikan hallitsemassa jokapäiväisessä maailmassa voimme aina löytää tapoja kertoa, mikä makroskooppinen esine on mikä, vaikka monet esineet näyttävätkin pinnallisesti identtisiltä. Kvanttimaailmassa hiukkaset voivat kuitenkin olla identtisiä syvällisessä mielessä, selittää Crespi, fyysikko Milanon ammattikorkeakoulu, Italia. Tämä tekee todella mahdottomaksi erottaa yhden hiukkasen toisesta ja johtaa aaltomaiseen käyttäytymiseen, kuten häiriöihin.
Nämä epätavalliset käytökset tekevät identtisistä fotoneista avainresurssin optisissa kvanttitekniikoissa. Esimerkiksi kvanttilaskennassa ne muodostavat laskelmien suorittamiseen käytettävien kubittien eli kvanttibittien perustan. Kvanttiviestinnässä niitä käytetään tiedon lähettämiseen laajamittaisten kvanttiverkkojen kautta.
Todistaa todellisen erottamattomuuden
Tarkistaakseen, ovatko kaksi fotonia erottamattomia, tutkijat lähettävät ne yleensä interferometrin läpi, jossa kaksi kanavaa tai aaltoputkea ovat niin lähellä, että jokainen fotoni voi kulkea jommankumman läpi. Jos nämä kaksi fotonia eivät ole täysin erotettavissa toisistaan, ne päätyvät aina yhdessä samaan aaltoputkeen. Tätä tekniikkaa ei kuitenkaan voida käyttää suurempien fotonijoukkojen kohdalla, koska vaikka se toistettaisiin kaikille mahdollisille kahden fotonin yhdistelmille, se ei silti riittäisi kuvaamaan monifotonijoukkoa täysin. Tästä syystä "aitoa erottamattomuutta" - parametria, joka määrittää kuinka lähellä fotonien joukko on tätä ihanteellista, identtistä tilaa - on niin vaikea mitata useille fotoneille.
Uudessa työssä tutkijat Milanosta ja Rooman yliopisto "La Sapienza" Italiassa; Italian tutkimusneuvosto; Nanotieteiden ja nanoteknologian keskus Palaiseaussa, Ranskassa; ja fotonikvanttilaskentayritys Quandela rakensi "erottamattomuustestin" neljälle fotonille. Heidän järjestelmänsä koostui lasilevystä, johon he olivat painaneet kahdeksan aaltoputkea laserkirjoitustekniikalla. Puolijohteisen kvanttipistelähteen avulla he lähettivät fotonit toistuvasti aaltojohtoihin ja kirjasivat sitten, mitkä olivat fotonin varaamia.
Seuraavaksi he käyttivät mikrolämmitintä lämmittämään yhtä fotonin sisältävistä aaltoputkista. Lämpötilan nousu muutti aaltoputken taitekerrointa, mikä aiheutti muutoksen fotonin optisessa vaiheessa ja sai sen hyppäämään toiseen seitsemästä aaltoputkesta häiriövaikutusten ansiosta.
Koe osoitti, että aaltoputkien välisten värähtelyjen amplitudia voitiin käyttää aidon erottamattomuusparametrin määrittämiseen, joka on luku välillä 0 ja 1 (jossa 1 vastaa täysin identtisiä fotoneja). He laskivat kokeessaan erottomuuden 0.8.
"Siinä tapauksessa että n fotoneja, aidon erottamattomuuden käsite kvantifioi autenttisimmalla tavalla kuinka mahdotonta on erottaa näitä hiukkasia ja se liittyy siihen, kuinka voimakkaita kollektiiviset kvanttihäiriövaikutukset ovat”, Crespi selittää. "Meidän tekniikkamme tämän suuren mittaamiseksi perustuu uudenlaiseen interferometriin, joka on suunniteltu antamaan ulostulossaan epätavallisia interferenssiä, jotka "tislaavat" koko sarjan kollektiivisen aidon erottamattomuuden. n fotonit suhteessa osittaisten osajoukkojen erottamattomuuteen."
Työkalut kvanttioptiikkaan
Vaikka tekniikka voisi toimia useamman kuin neljän fotonin kanssa, erottomuuden vaihteluiden havaitsemiseen tarvittavien mittausten määrä kasvaa eksponentiaalisesti fotonien määrän myötä. Siksi se ei olisi käytännöllistä 100 fotonille tai enemmän, mikä on todennäköinen määrä tulevassa optisessa tietokoneessa. Crespi sanoo kuitenkin, että sitä voitaisiin käyttää kvanttioptisissa kokeissa, joissa tutkijoiden on tiedettävä, ovatko fotonit erottamattomia vai eivät.
Interferenssiseinä vangitsee yksittäisiä fotoneja
"Aito erottamattomuus on ratkaiseva parametri, joka antaa tietoa monifotonilähteen laadusta ja määrittää kuinka nämä n fotoneissa voitaisiin käyttää monimutkaisia tietotiloja", hän kertoo Fysiikan maailma. "Jotta kehitetään luotettavia teknologioita, jotka osoittavat kvantitatiivisia etuja kvanttitiedon prosessissa ja siirrossa, on kriittistä paitsi kehittää hyviä lähteitä myös kehittää menetelmiä näiden resurssien laadun karakterisoimiseksi ja kvantifioimiseksi."
Tiimin jäsen Sarah Thomas, joka on nyt kvanttioptiikan postdoc Imperial College London, Yhdistynyt kuningaskunta, sanoo, että menetelmää voitaisiin käyttää kvantifioimaan, kuinka hyvät resurssitilat ovat kokeissa, kuten Boson-näytteenotossa. "Tällainen karakterisointityökalu on hyödyllinen, jotta voidaan ymmärtää nykyiset rajoitukset monifotonitilojen rakentamisessa ja sen vaikutus kvanttihäiriöihin, ja siten mahdollisesti löytää reittejä näiden resurssitilojen parantamiseksi", hän sanoo.
Tutkijoiden mukaan heidän innovatiivisen laitteensa avulla he voivat tarkkailla suoraan erikoisia häiriövaikutuksia, jotka voivat avata uusia polkuja monihiukkasten kvanttihäiriöiden perustutkimukselle jopa fotoniikan ulkopuolella. "Voimme tutkia näiden vaikutusten vaikutuksia kvanttimetrologiassa - eli fysikaalisten määrien parannetussa arvioinnissa kvanttivaikutteisten vaikutusten avulla", Thomas paljastaa.
Tämä työ on kuvattu yksityiskohtaisesti Fyysinen arviointi X.
