見分けがつかない光子のサンプルでは、どの程度見分けがつかないのでしょうか? 国際的な科学者チームは、多光子の識別不能性を初めて正確に測定することで、この疑問に答えました。 相互接続された導波路に基づく革新的なタイプの光干渉計を使用して、チームは、量子光学実験における単一光子源の性能と多光子状態の生成の両方をチェックできることを示しました – 達成チームのメンバー アンドレア・クレスピ は、「量子光学実験者のツールボックスに余分な要素を追加する」と説明しています。
古典物理学に支配された日常の世界では、たとえ多くの物体が表面的には同一に見えても、どの巨視的な物体がどれであるかを見分ける方法を常に見つけることができます。 しかし、量子の世界では、粒子は深い意味で同一である可能性があると、物理学者である Crespi は説明しています。 ミラノ工科大学、イタリア. これにより、ある粒子を他の粒子と区別することが本当に不可能になり、干渉などの波のような動作につながります。
これらの異常な動作により、同一の光子が光量子技術の重要なリソースになります。 たとえば、量子コンピューティングでは、計算を実行するために使用される量子ビットまたは量子ビットの基礎を形成します。 量子通信では、大規模な量子ネットワークを介して情報を送信するために使用されます。
本物の区別がつかないことを証明する
XNUMX つの光子が区別できないかどうかを確認するために、研究者は通常、XNUMX つのチャネルまたは導波路が非常に接近しているため、各光子がいずれかを通過できる干渉計を介して送信します。 XNUMX つの光子が完全に区別できない場合、それらは常に同じ導波路で一緒になります。 ただし、この手法は、可能なすべての XNUMX 光子の組み合わせに対して繰り返したとしても、多光子セットを完全に特徴付けるにはまだ十分ではないため、より大きな光子セットには使用できません。 これが、「本物の識別不能性」（一連の光子がこの理想的な同一の状態にどれだけ近いかを定量化するパラメーター）を複数の光子で測定することが非常に難しい理由です。
新しい作品では、ミラノの研究者と イタリアのローマ大学「ラ・サピエンツァ」; ザ・ イタリア研究評議会; ザ・ フランスのパレゾーにあるナノサイエンスとナノテクノロジーのセンター; とフォトニック量子コンピューティング会社 クアンデラ XNUMXつの光子の「識別不能性テスト」を構築しました。 彼らのシステムは、レーザー書き込み技術を使用してXNUMXつの導波路を刻印したガラススラブで構成されていました。 彼らは、半導体量子ドット源を使用して、光子を導波路に繰り返し送信し、どの導波路が光子で占められているかを記録しました。
次に、マイクロヒーターを使用して、光子を含む導波路の XNUMX つを温めました。 温度の上昇は導波路の屈折率を変化させ、光子の光位相の変化を誘発し、干渉効果のおかげで XNUMX つの導波路のうちの別の XNUMX つにホッピングさせました。
実験では、導波路間の振動の振幅を使用して、0 から 1 の間の数値である真の識別不能パラメーターを決定できることが示されました (1 は完全に同一の光子に対応します)。 彼らの実験では、彼らは 0.8 の識別不能性を計算しました。
"の場合 n 真の識別不能性の概念は、これらの粒子を識別することがどれほど不可能であるかを最も確実な方法で定量化し、集団量子干渉効果がどれほど顕著であるかに関連しています」とクレスピは説明します. 「この量を測定する私たちの技術は、その出力で異常な干渉効果を与えるように設計された新しい種類の干渉計に基づいています。 n 部分サブセットの識別不能性に関する光子。
量子光学用ツール
この手法は 100 つを超える光子で機能する可能性がありますが、見分けがつかないように変動を観察するために必要な測定の数は、光子の数に応じて指数関数的に増加します。 したがって、XNUMX 個以上の光子は実用的ではありません。これは、将来の光学コンピューターに必要となる可能性が高い数です。 とはいえ、Crespi は、科学者が光子が区別できないかどうかを知る必要がある量子光学実験で使用できる可能性があると述べています。
干渉壁が単一光子を捕捉
「本物の識別不能性は、多光子源の品質に関する情報を提供し、これらがどのように検出されるかを決定する重要なパラメーターです。 n 光子は、複雑な情報状態を使用できます」と彼は言います 物理学の世界. 「量子情報の処理と転送の定量的な利点を示す信頼性の高い技術を開発するには、優れたソースを開発するだけでなく、これらのリソースの品質を特徴付けて定量化する方法を開発することも重要です。」
チームメンバー サラ・トーマス、現在は量子光学のポスドクである インペリアルカレッジロンドン、イギリス、この方法を使用して、ボソンサンプリングなどの実験でリソースの状態がどの程度良好であるかを定量化できると述べています。 「このような特性評価ツールは、多光子状態の構築における現在の制限と、これが量子干渉に及ぼす影響を理解するのに役立ち、したがって、これらのリソース状態を改善する方法を見つける可能性があります」と彼女は言います.
研究者によると、彼らの革新的なデバイスにより、フォトニクスを超えて、多粒子量子干渉に関する基礎研究への新しい道を開く可能性のある特異な干渉効果を直接観察することができます。 「量子計測におけるこれらの効果の意味を探ることができます。つまり、量子が有効な効果による物理量の推定を強化することができます」と Thomas は明らかにします。
現在の作業の詳細は フィジカルレビューX.
