במדגם של פוטונים שאי אפשר להבחין בהם, עד כמה הם בלתי מובחנים? צוות בינלאומי של מדענים ענה כעת על שאלה זו על ידי ביצוע המדידה המדויקת הראשונה של אי-הבחנה רב-פוטונים. באמצעות סוג חדשני של אינטרפרומטר אופטי המבוסס על מוליכי גל מחוברים זה לזה, הצוות הראה כי ניתן לבדוק הן את הביצועים של מקורות פוטונים בודדים והן את היצירה של מצבי ריבוי פוטון בניסויים באופטיקה קוונטית - חבר צוות הישגי אנדראה קרסי מתאר כהוספת "אלמנט נוסף לארגז הכלים של נסיין האופטיקה הקוונטית".
בעולם היומיומי הנשלט על ידי הפיזיקה הקלאסית, אנחנו תמיד יכולים למצוא דרכים לדעת איזה אובייקט מקרוסקופי הוא איזה, גם אם עצמים רבים נראים זהים באופן שטחי. בעולם הקוונטי, לעומת זאת, חלקיקים יכולים להיות זהים במובן עמוק, מסביר קרספי, פיזיקאי ב- האוניברסיטה הפוליטכנית של מילאנו, איטליה. זה הופך את זה לבלתי אפשרי באמת להבחין בין חלקיק אחד למשנהו ומוביל להתנהגויות דמויות גל כגון הפרעות.
התנהגויות חריגות אלו הופכות פוטונים זהים למשאב מפתח בטכנולוגיות קוונטיות אופטיות. במחשוב קוונטי, למשל, הם מהווים את הבסיס של הקיוביטים, או הביטים הקוונטיים, המשמשים לביצוע חישובים. בתקשורת קוונטית, הם משמשים לשליחת מידע ברשתות קוונטיות בקנה מידה גדול.
מוכיח חוסר הבחנה אמיתי
כדי לבדוק אם לא ניתן להבחין בין שני פוטונים, חוקרים בדרך כלל שולחים אותם דרך אינטרפרומטר שבו שני ערוצים, או מוליכי גל, כל כך קרובים שכל אחד מהפוטונים יכול לעבור בכל אחד מהם. אם שני הפוטונים אינם ניתנים להבחין לחלוטין, הם תמיד מגיעים יחד באותו מוליך גל. עם זאת, לא ניתן להשתמש בטכניקה זו עבור קבוצות גדולות יותר של פוטונים, משום שגם אם היא הייתה חוזרת על עצמה עבור כל שילובי שני הפוטונים האפשריים, היא עדיין לא תספיק לאפיין מלא את מערך הרב-פוטונים. זו הסיבה ש"אי-הבחנה אמיתית" - פרמטר שמכמת עד כמה קבוצת פוטונים קרובה למצב האידיאלי והזהה הזה - כל כך קשה למדוד עבור פוטונים מרובים.
בעבודה החדשה, חוקרים ממילאנו וה אוניברסיטת רומא "La Sapienza" באיטליה; ה מועצת המחקר האיטלקית; ה המרכז למדעי הננו וננוטכנולוגיה בפלזאו, צרפת; וחברת המחשוב הקוונטי הפוטוני קונדלה בנה "מבחן אי-הבחנה" עבור ארבעה פוטונים. המערכת שלהם מורכבת מלוח זכוכית שבו הטביעו שמונה מובילי גל בטכניקת כתיבה בלייזר. באמצעות מקור נקודה קוונטית מוליכים למחצה, הם שלחו שוב ושוב את הפוטונים לתוך מובילי הגלים, ואז רשמו אילו מהם תפוסים בפוטון.
לאחר מכן, הם השתמשו במיקרו-מחמם כדי לחמם את אחד ממובילי הגלים שהכילו פוטון. העלייה בטמפרטורה שינתה את מקדם השבירה של מוליך הגל, גרמה לשינוי בשלב האופטי של הפוטון וגרמה לו לקפוץ לעוד אחד מתוך שבעה מוליכי גל הודות להשפעות הפרעות.
הניסוי הראה שניתן להשתמש באמפליטודה של התנודות בין מוליכי גל כדי לקבוע את פרמטר אי-ההבחנה האמיתי, שהוא מספר בין 0 ל-1 (כאשר 1 מתאים לפוטונים זהים לחלוטין). בניסוי שלהם, הם חישבו אי-הבחנה של 0.8.
"במקרה של n פוטונים, המושג של אי-הבחנה אמיתית מכמת בצורה האותנטית ביותר עד כמה בלתי אפשרי להבחין בין החלקיקים הללו וזה קשור למידת בולטות ההשפעות הקוונטיות של הפרעות קוונטיות", מסביר קרספי. "הטכניקה שלנו למדידת כמות זו מבוססת על סוג חדש של אינטרפרומטר שנועד לתת, בפלט שלו, אפקטי הפרעה יוצאי דופן ש'מזקקים' את חוסר ההבחנה הקולקטיבי האמיתי של הסט המלא של n פוטונים ביחס לחוסר ההבחנה של תת-קבוצות חלקיות."
כלים לאופטיקה קוונטית
בעוד שהטכניקה יכולה לעבוד עם יותר מארבעה פוטונים, מספר המדידות הנדרשות כדי לצפות בווריאציות לחוסר הבחנה גדל באופן אקספוננציאלי עם מספר הפוטונים. לכן זה לא יהיה מעשי עבור 100 פוטונים או יותר, שהוא המספר הסביר הנדרש עבור מחשב אופטי עתידי. עם זאת, קרספי אומר שזה יכול לשמש בניסויים באופטיקה קוונטית שבהם מדענים צריכים לדעת אם לא ניתן להבחין בפוטונים או לא.
קיר הפרעות לוכד פוטונים בודדים
"אי-ההבחנה האמיתית היא פרמטר מכריע המספק מידע על איכותו של מקור רב-פוטונים וקובע כיצד אלה n ניתן להשתמש בפוטונים במצבי מידע מורכבים", הוא אומר עולם הפיזיקה. "כדי לפתח טכנולוגיות אמינות המדגימות יתרונות כמותיים לתהליך והעברת מידע קוונטי, חיוני לא רק לפתח מקורות טובים אלא גם לפתח שיטות לאפיון ולכימת איכות המשאבים הללו."
חבר צוות שרה תומאס, שהוא כעת פוסט דוקטורט באופטיקה קוונטית ב אימפריאל קולג 'לונדון, בריטניה, אומר שניתן להשתמש בשיטה כדי לכמת עד כמה מצבי משאבים טובים עבור ניסויים כגון דגימת בוזון. "כלי אפיון כזה יהיה שימושי בהבנת המגבלות הנוכחיות בבניית מצבי ריבוי פוטונים וההשלכה שיש לכך על התערבות קוונטית, ולכן פוטנציאל למצוא מסלולים לשיפור מצבי המשאבים הללו", היא אומרת.
לטענת החוקרים, המכשיר החדשני שלהם מאפשר להם לצפות ישירות בהשפעות הפרעות מוזרות שעשויות לפתוח נתיבים חדשים למחקר יסודי על הפרעות קוונטיות מרובות חלקיקים, אפילו מעבר לפוטוניקה. "נוכל לחקור את ההשלכות של ההשפעות הללו במטרולוגיה קוונטית - כלומר, לאומדן משופר של כמויות פיזיקליות באמצעות השפעות המאופשרות קוונטיות", מגלה תומס.
העבודה הנוכחית מפורטת ב סקירה גופנית X.
