Az újraélesztett fotonösszefonódás javíthatja a kvantumkommunikációt és a képalkotást   

Indiai kutatók kimutatták, hogy a fotonok egy bizonyos folytonos változó alapon történő összefonódása újraéled, ahogy a fotonok távolodnak a forrásuktól. A felfedezés hasznosnak bizonyulhat a kvantuminformációk nagy távolságokra történő biztonságos továbbításában és a kvantumképalkotásban turbulens közegben.

A fotonok közötti kvantumösszefonódást a fizikusok széles körben kutatják, gyakran azzal a céllal, hogy új kvantumtechnológiákat fejlesszenek ki számítási, kommunikációs, érzékelési és képalkotási célokra. Egyes lehetséges alkalmazások megkövetelik az összegabalyodott fotonok nagy távolságokra vagy turbulens környezetben történő veszteség nélküli küldését. Jelenleg azonban nagyon trükkös bizonyos típusú összefonódások megőrzése ilyen körülmények között – és a siker sok tényezőtől függhet, beleértve azt is, hogy a kvantuminformáció hogyan van kódolva a fotonokban.

Most Anand Jha és kollégái a Kvantumoptikai és Összefonódási Laboratórium Az Indiai Technológiai Intézet Kanpurban egy lehetséges megoldást kínáltak a fotonok szöghelyzetének felhasználásával az információ kódolására. Megfigyelték, hogy az összefonódás eltűnni látszik a fotonok terjedésével, de aztán furcsa módon újra megjelenik. Azt is kimutatták, hogy az összefonódás újjáéledése még azután is megtörténik, hogy a fotonok turbulens levegőn áthaladnak, ami normális esetben elpusztítaná az összefonódást. Ebben írják le kutatásaikat Tudomány előlegek.

Foton összefonódás

A fotonok sokféle szabadságfokkal rendelkeznek, amelyek kvantuminformáció kódolására használhatók. A választás attól függ, hogy milyen információt kell kódolni. A qubitek esetében olyan diszkrét tulajdonságok használhatók, mint a polarizáció vagy a foton pálya szögimpulzusa. De néha, különösen érzékelési és képalkotási célokra, jobb a kvantuminformációk folyamatos kódolása. Az ilyen alkalmazásokban a leginkább feltárt összefonódási tulajdonság – vagy „alap” – a foton derékszögű koordinátái által megadott helyzete.

A kvantum-összefonódás jelensége a klasszikus fizika által megengedettnél szorosabb kapcsolatot kölcsönöz a részecskéknek, és független attól, hogy melyik alapot használjuk a kvantuminformáció kódolására. Előfordulhat azonban, hogy egy kísérletben az összefonódás használatának vagy mérésének módja nem független az alapoktól. Ez vonatkozik az összefonódás „tanújára”, amely egy matematikai mennyiség, amely meghatározza, hogy egy rendszer összegabalyodott-e. A tanúk bázisfüggőek a folyamatos bázisok esetében, és ez a függőség azt jelenti, hogy a folyamatos összefonódás bizonyos típusai hasznosabbak lehetnek, mint mások.

A helyzet-impulzus alapon a szemtanún keresztül látható összefonódás nagyon gyorsan elhal, ahogy a fotonok távolodnak forrásuktól. Ennek megkerülésére a tudósok általában magát a forrást készítik el, hogy a fotonok közötti összefonódást használják fel. Bármilyen turbulencia az ösvényben, gyorsan tönkreteszi az összefonódást, és olyan összetett megoldásokra van szükség, mint az adaptív optika az újraélesztéshez. Ezek a további korrekciós lépések korlátozzák ezen összegabalyodott fotonok használhatóságát.

Jha és munkatársai legújabb kutatása azt vizsgálja, hogyan őrizhető meg az összefonódás egy szorosan kapcsolódó alternatív alap – a foton szöghelyzetének – felhasználásával.

Generating, losing and reviving entanglement

Kísérletükben a kutatók összegabalyodott fotonokat generáltak úgy, hogy egy nagy teljesítményű „szivattyús” lézer fényét küldték egy nemlineáris kristályba. Olyan körülmények között, ahol a fotonok energiája és momentuma megmarad, egy pumpás foton két összefonódott fotont hoz létre a spontán parametrikus lefelé konverziónak (SPDC) nevezett folyamat során. A két foton minden tulajdonságában összefonódik. Ha például egy fotont észlelnek az egyik helyen, akkor a másik összefonódott foton helyzete automatikusan meghatározásra kerül. A korreláció más mennyiségeknél is fennáll, mint például az impulzus, a szöghelyzet és a pálya szögimpulzusa.

Amint azt a szemtanú korrekciós intézkedések nélkül látja, a kutatók megfigyelték, hogy a fotonok közötti helyzetösszefonódás körülbelül 4 cm-es terjedés után eltűnik. Másrészt érdekes dolog történik a szöghelyzeti összefonódásnál. Körülbelül 5 cm-es terjedés után eltűnik, de miután a fotonok további 20 cm-t meghaladtak, újra megjelenik az összefonódás (lásd az ábrát). A kutatók kísérleti eredményeiket numerikus modellel kvalitatívan megerősítették.

A desztillációs módszer megerősíti a kvantumösszefonódást egyetlen fotonpárban

Ugyanez a tendencia volt megfigyelhető, amikor a csapat turbulens környezetet hozott létre az összegabalyodott fotonok útjában. Ezt fúvófűtővel végezték a levegő felkavarására és a törésmutatójának megváltoztatására. Ebben az esetben az összegabalyodást a fény hosszabb, körülbelül 45 cm-es terjedése után elevenítették fel.

Még nem teljesen ismert, hogy mi okozza a szöghelyzet-alap összefonódásának újbóli megjelenését. Az alap azért különleges, mert egy teljes kör után körbeteker. Jha szerint ez az egyik megkülönböztető tényezője.

Annak ellenére, hogy a tanulmány egy méternél kisebb távolságokon is robusztusságot bizonyít, Jha és munkatársai azt állítják, hogy az újjáéledés kilométeres távolságokon is lehetséges. Ez lehetővé tenné a kvantuminformációk továbbítását a légköri turbulencián keresztül, anélkül, hogy megsemmisítené az összefonódást. A turbulencián keresztüli robusztusság lehetővé teheti az objektumok kvantumképalkotását homályos biokémiai környezetben minimális invázió vagy pusztítás mellett.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/revived-photon-entanglement-could-enhance-quantum-communication-and-imaging/