A megkülönböztethetetlen fotonokból álló mintában mennyire megkülönböztethetetlenek? Egy nemzetközi tudóscsoport most válaszolt erre a kérdésre azáltal, hogy elvégezte az első pontos mérést a több foton megkülönböztethetetlenségére vonatkozóan. Egy innovatív típusú optikai interferométer, amely összekapcsolt hullámvezetőkön alapul, a csapat megmutatta, hogy kvantumoptikai kísérletekben mind az egyfoton források teljesítménye, mind a többfoton állapotok létrehozása ellenőrizhető – az eredményt elérő csapat tagja Andrea Crespi leírja, hogy „egy plusz elemet ad a kvantumoptikai kísérletező eszköztárához”.
A klasszikus fizika által irányított mindennapi világban mindig megtalálhatjuk a módját annak, hogy meg tudjuk mondani, melyik makroszkópikus objektum melyik, még akkor is, ha sok objektum felületesen egyformának tűnik. A kvantumvilágban azonban a részecskék mélyen azonosak lehetnek, magyarázza Crespi, a fizikus. Milánói Politechnikai Egyetem, Olaszország. Ez valóban lehetetlenné teszi az egyik részecske megkülönböztetését a másiktól, és hullámszerű viselkedéshez, például interferencia kialakulásához vezet.
Ezek a szokatlan viselkedések az azonos fotonokat az optikai kvantumtechnológiák kulcsfontosságú erőforrásává teszik. A kvantumszámításban például ezek képezik a számítások elvégzéséhez használt qubitek vagy kvantumbitek alapját. A kvantumkommunikációban nagyszabású kvantumhálózatokon keresztül történő információküldésre használják.
A valódi megkülönböztethetetlenség bizonyítása
Annak ellenőrzésére, hogy két foton megkülönböztethetetlen-e, a kutatók általában egy interferométeren keresztül küldik őket, amelyben két csatorna vagy hullámvezető olyan közel van, hogy mindegyik foton áthaladhat valamelyiken. Ha a két foton tökéletesen megkülönböztethetetlen, mindig ugyanabban a hullámvezetőben végeznek együtt. Ez a technika azonban nem használható nagyobb fotonhalmazoknál, mert még ha megismételnénk is az összes lehetséges kétfoton-kombinációra, akkor sem lenne elég a többfoton halmaz teljes körű jellemzésére. Ez az oka annak, hogy a „valódi megkülönböztethetetlenséget” – egy olyan paramétert, amely számszerűsíti, hogy egy fotonhalmaz milyen közel van ehhez az ideális, azonos állapothoz – olyan nehéz mérni több foton esetében.
Az új munkában milánói kutatók és a Római La Sapienza Egyetem Olaszországban; a Olasz Kutatási Tanács; a Nanotudományi és Nanotechnológiai Központ Palaiseau-ban, Franciaországban; és a fotonikus kvantumszámítási cég Quandela „megkülönböztethetetlenségi tesztet” szerkesztett négy fotonra. Rendszerük egy üveglapból állt, amelybe lézeres írástechnikával nyolc hullámvezetőt nyomtak. Félvezető kvantumpontforrás segítségével többször is beküldték a fotonokat a hullámvezetőkbe, majd rögzítették, hogy melyiket foglalta el foton.
Ezután egy mikrofűtővel felmelegítették az egyik fotont tartalmazó hullámvezetőt. A hőmérséklet emelkedése megváltoztatta a hullámvezető törésmutatóját, változást indukált a foton optikai fázisában, és az interferenciahatásoknak köszönhetően átugrott a hét hullámvezető egyikébe.
A kísérlet azt mutatta, hogy a hullámvezetők közötti oszcillációk amplitúdója felhasználható a valódi megkülönböztethetetlenségi paraméter meghatározására, amely egy 0 és 1 közötti szám (az 1-es pedig tökéletesen azonos fotonoknak felel meg). Kísérletükben 0.8-as megkülönböztethetetlenséget számoltak.
"Abban az esetben n A fotonok esetében a valódi megkülönböztethetetlenség fogalma a leghitelesebb módon számszerűsíti, mennyire lehetetlen megkülönböztetni ezeket a részecskéket, és összefügg azzal, hogy a kollektív kvantuminterferencia hatások mennyire kifejezettek” – magyarázza Crespi. „Az ennek a mennyiségnek a mérésére szolgáló technikánk egy újfajta interferométeren alapul, amelyet úgy terveztek, hogy kimenetén szokatlan interferenciahatásokat adjon, amelyek „lepárolják” a teljes készlet kollektív, valódi megkülönböztethetetlenségét. n fotonok a részhalmazok megkülönböztethetetlensége tekintetében.”
Eszközök kvantumoptikához
Míg a technika négynél több fotonnal is működhet, a megkülönböztethetetlenség eltéréseinek megfigyeléséhez szükséges mérések száma exponenciálisan növekszik a fotonok számával. Ezért nem lenne praktikus 100 vagy több foton esetében, amely valószínűleg egy jövőbeli optikai számítógéphez szükséges. Ennek ellenére Crespi azt mondja, hogy felhasználható lenne kvantumoptikai kísérletekben, amelyekben a tudósoknak tudniuk kell, hogy a fotonok megkülönböztethetetlenek-e vagy sem.
Az interferenciafal egyetlen fotont rögzít
„A valódi megkülönböztethetetlenség kulcsfontosságú paraméter, amely információt ad a többfotonos forrás minőségéről, és meghatározza, hogyan n a fotonok összetett információs állapotokat is felhasználhatnak” – mondja Fizika Világa. "A kvantitatív információfeldolgozás és -átvitel mennyiségi előnyeit mutató megbízható technológiák kifejlesztéséhez nem csak a jó források kifejlesztése, hanem az erőforrások minőségének jellemzésére és számszerűsítésére szolgáló módszerek kidolgozása is elengedhetetlen."
Csapat tagja Sarah Thomas, aki most a kvantumoptika posztdoktori at Imperial College London, Egyesült Királyság, azt mondja, hogy a módszer használható annak számszerűsítésére, hogy mennyire jó az erőforrás állapota olyan kísérletekhez, mint a Boson mintavétel. "Egy ilyen jellemzési eszköz hasznos lesz a többfoton állapotok felépítésének jelenlegi korlátainak és ennek a kvantuminterferenciára gyakorolt hatásainak megértésében, és ezáltal potenciálisan az erőforrás-állapotok javítására szolgáló útvonalak megtalálásában" - mondja.
A kutatók szerint innovatív eszközük lehetővé teszi számukra, hogy sajátos interferenciahatásokat közvetlenül megfigyeljenek, amelyek új utakat nyithatnak a többrészecskés kvantuminterferencia alapkutatása előtt, még a fotonikán túl is. „Felfedezhetnénk ezeknek a hatásoknak a kvantummetrológiában való következményeit – vagyis a fizikai mennyiségek jobb becslését a kvantumalapú hatások segítségével” – árulta el Thomas.
A jelen munka részletesen a Fizikai áttekintés X.
