Dalam sampel foton yang tidak dapat dibedakan, seberapa tidak dapat dibedakan? Sebuah tim ilmuwan internasional kini telah menjawab pertanyaan ini dengan membuat pengukuran presisi pertama dari ketidakterbedaan multi-foton. Dengan menggunakan jenis interferometer optik inovatif berdasarkan pandu gelombang yang saling berhubungan, tim menunjukkan bahwa adalah mungkin untuk memeriksa kinerja sumber foton tunggal dan pembentukan keadaan multi-foton dalam eksperimen optik kuantum – anggota tim pencapaian Andrea Krespi menggambarkan sebagai menambahkan "elemen tambahan ke kotak peralatan eksperimen optik kuantum".
Dalam dunia sehari-hari yang diatur oleh fisika klasik, kita selalu dapat menemukan cara untuk mengetahui objek makroskopis yang mana, bahkan jika banyak objek terlihat identik secara dangkal. Namun, di dunia kuantum, partikel bisa identik dalam pengertian yang mendalam, jelas Crespi, seorang fisikawan di Universitas Politeknik Milan, Italia. Hal ini membuat sangat tidak mungkin untuk membedakan satu partikel dari yang lain dan menyebabkan perilaku seperti gelombang seperti interferensi.
Perilaku yang tidak biasa ini menjadikan foton identik sebagai sumber utama dalam teknologi kuantum optik. Dalam komputasi kuantum, misalnya, mereka membentuk dasar qubit, atau bit kuantum, yang digunakan untuk melakukan kalkulasi. Dalam komunikasi kuantum, mereka digunakan untuk mengirim informasi melalui jaringan kuantum berskala besar.
Membuktikan ketidakterbedaan yang asli
Untuk memeriksa apakah dua foton tidak dapat dibedakan, peneliti biasanya mengirimkannya melalui interferometer di mana dua saluran, atau pandu gelombang, sangat dekat sehingga masing-masing foton dapat melewati salah satunya. Jika kedua foton tidak dapat dibedakan secara sempurna, mereka selalu berakhir bersama dalam pandu gelombang yang sama. Namun, teknik ini tidak dapat digunakan untuk set foton yang lebih besar, karena bahkan jika diulangi untuk semua kemungkinan kombinasi dua foton, masih belum cukup untuk mengkarakterisasi set multi-foton sepenuhnya. Inilah mengapa “genuine indistinguishability” – parameter yang mengukur seberapa dekat satu set foton dengan keadaan ideal dan identik ini – sangat sulit diukur untuk banyak foton.
Dalam karya baru, peneliti dari Milan dan Universitas Roma "La Sapienza" di Italia; itu Dewan Riset Italia; itu Pusat Nanosains dan Nanoteknologi di Palaiseau, Prancis; dan perusahaan komputasi kuantum fotonik Quandela membangun "tes ketidakterbedaan" untuk empat foton. Sistem mereka terdiri dari lempengan kaca di mana mereka telah mencetak delapan pandu gelombang menggunakan teknik penulisan laser. Dengan menggunakan sumber titik kuantum semikonduktor, mereka berulang kali mengirim foton ke pandu gelombang, lalu merekam mana yang ditempati foton.
Selanjutnya, mereka menggunakan pemanas mikro untuk menghangatkan salah satu pandu gelombang yang berisi foton. Peningkatan suhu mengubah indeks bias pandu gelombang, mendorong perubahan fase optik foton dan menyebabkannya melompat ke salah satu dari tujuh pandu gelombang berkat efek interferensi.
Eksperimen menunjukkan bahwa amplitudo osilasi antara pandu gelombang dapat digunakan untuk menentukan parameter asli yang tidak dapat dibedakan, yaitu angka antara 0 dan 1 (dengan 1 sesuai dengan foton yang identik sempurna). Dalam percobaan mereka, mereka menghitung ketidakterbedaan 0.8.
"Dalam kasus n foton, konsep ketidakterbedaan asli mengkuantifikasi dengan cara yang paling otentik betapa tidak mungkinnya membedakan partikel-partikel ini dan ini terkait dengan seberapa nyata efek interferensi kuantum kolektif, ”jelas Crespi. “Teknik kami untuk mengukur besaran ini didasarkan pada interferometer jenis baru yang dirancang untuk memberikan, pada keluarannya, efek interferensi yang tidak biasa yang 'menyaring' ketidakterbedaan kolektif yang asli dari rangkaian lengkap n foton sehubungan dengan tidak dapat dibedakannya himpunan bagian parsial.”
Alat untuk optik kuantum
Meskipun teknik ini dapat bekerja dengan lebih dari empat foton, jumlah pengukuran yang diperlukan untuk mengamati variasi ketidakterbedaan meningkat secara eksponensial dengan jumlah foton. Oleh karena itu tidak praktis untuk 100 foton atau lebih, yang merupakan jumlah yang mungkin diperlukan untuk komputer optik masa depan. Konon, Crespi mengatakan itu dapat digunakan dalam eksperimen optik kuantum di mana para ilmuwan perlu mengetahui apakah foton tidak dapat dibedakan atau tidak.
Dinding interferensi menangkap foton tunggal
Ketidakterbedaan asli adalah parameter penting yang memberikan informasi tentang kualitas sumber multi-foton dan menentukan bagaimana ini n foton dapat digunakan untuk menyatakan informasi yang kompleks,” jelasnya Dunia Fisika. “Untuk mengembangkan teknologi andal yang menunjukkan keunggulan kuantitatif untuk proses dan transfer informasi kuantum, sangat penting tidak hanya untuk mengembangkan sumber yang baik tetapi juga untuk mengembangkan metode untuk mengkarakterisasi dan mengukur kualitas sumber daya ini.”
Anggota tim Sarah thomas, yang sekarang menjadi postdoc di optik kuantum di Imperial College London, Inggris, kata metode ini dapat digunakan untuk mengukur seberapa baik status sumber daya untuk eksperimen seperti pengambilan sampel Boson. “Alat karakterisasi semacam itu akan berguna dalam memahami keterbatasan saat ini dalam membangun status multi-foton dan implikasinya terhadap interferensi kuantum, dan karena itu berpotensi menemukan rute untuk meningkatkan status sumber daya ini,” katanya.
Menurut para peneliti, perangkat inovatif mereka memungkinkan mereka untuk secara langsung mengamati efek interferensi aneh yang dapat membuka jalur baru untuk penelitian mendasar tentang interferensi kuantum multi-partikel, bahkan di luar fotonik. “Kita dapat mengeksplorasi implikasi dari efek ini dalam metrologi kuantum – yaitu, untuk peningkatan estimasi kuantitas fisik melalui efek yang dimungkinkan oleh kuantum,” ungkap Thomas.
Pekerjaan saat ini dirinci dalam Ulasan Fisik X.
