구별할 수 없는 광자 샘플에서 얼마나 구별할 수 없습니까? 이제 국제 과학자 팀이 다광자 비구별성을 최초로 정밀하게 측정함으로써 이 질문에 답했습니다. 상호 연결된 도파관을 기반으로 한 혁신적인 유형의 광 간섭계를 사용하여 팀은 양자 광학 실험에서 단일 광자 소스의 성능과 다중 광자 상태 생성을 모두 확인할 수 있음을 보여주었습니다. 안드레아 크레 스피 "양자 광학 실험자의 도구 상자에 추가 요소"를 추가하는 것으로 설명합니다.
고전 물리학이 지배하는 일상 세계에서 우리는 많은 물체가 표면적으로 동일하게 보이더라도 거시적 물체가 어떤 물체인지 구별하는 방법을 항상 찾을 수 있습니다. 그러나 양자 세계에서 입자는 심오한 의미에서 동일할 수 있다고 물리학자 Crespi는 설명합니다. 이탈리아 밀라노 폴리테크닉 대학교. 이로 인해 한 입자를 다른 입자와 구별하는 것이 정말 불가능하고 간섭과 같은 파동과 같은 동작이 발생합니다.
이러한 특이한 행동은 동일한 광자를 광학 양자 기술의 핵심 자원으로 만듭니다. 예를 들어 양자 컴퓨팅에서 이들은 계산을 수행하는 데 사용되는 큐비트 또는 양자 비트의 기초를 형성합니다. 양자 통신에서는 대규모 양자 네트워크를 통해 정보를 전송하는 데 사용됩니다.
진정한 구별 불가능성 증명
두 개의 광자를 구별할 수 없는지 확인하기 위해 연구자들은 일반적으로 두 개의 채널 또는 도파관이 너무 가까워 각 광자가 두 채널 중 하나를 통과할 수 있는 간섭계를 통해 광자를 보냅니다. 두 광자가 완벽하게 구별할 수 없으면 항상 동일한 도파관에서 함께 끝납니다. 그러나 이 기술은 더 큰 광자 세트에는 사용할 수 없습니다. 가능한 모든 XNUMX광자 조합에 대해 반복하더라도 다중 광자 세트를 완전히 특성화하기에는 여전히 충분하지 않기 때문입니다. 이것이 광자 집합이 이상적이고 동일한 상태에 얼마나 가까운지를 정량화하는 매개변수인 "진짜 구별 불가능성"이 여러 광자에 대해 측정하기 어려운 이유입니다.
새로운 작업에서 밀라노의 연구원과 이탈리아 로마 대학 "라 사피엔자"; 이탈리아 연구 위원회; 프랑스 Palaiseau의 나노과학 및 나노기술 센터; 그리고 광 양자 컴퓨팅 회사 콴델라 XNUMX개의 광자에 대한 "비구별성 테스트"를 구성했습니다. 그들의 시스템은 레이저 쓰기 기술을 사용하여 XNUMX개의 도파관을 각인한 유리판으로 구성되었습니다. 반도체 양자점 소스를 사용하여 그들은 반복적으로 광자를 도파관으로 보낸 다음 어느 것이 광자로 점유되었는지 기록했습니다.
다음으로 그들은 마이크로히터를 사용하여 광자를 포함하는 도파관 중 하나를 예열했습니다. 온도 증가는 도파관의 굴절률을 변경하여 광자의 광학 위상 변화를 유도하고 간섭 효과 덕분에 XNUMX개 도파관 중 다른 하나로 건너뛰게 합니다.
이 실험은 도파관 사이의 진동 진폭이 0과 1 사이의 숫자인 진정한 구별 불가능 매개변수를 결정하는 데 사용될 수 있음을 보여주었습니다(1은 완벽하게 동일한 광자에 해당함). 그들의 실험에서 그들은 0.8의 구별 불가능성을 계산했습니다.
"의 경우 n 광자, 진정한 구별 불가능의 개념은 이러한 입자를 구별하는 것이 얼마나 불가능한지를 가장 확실한 방법으로 정량화하고 집단 양자 간섭 효과가 얼마나 뚜렷한지와 관련이 있습니다.”라고 Crespi는 설명합니다. “이 양을 측정하는 우리의 기술은 전체 집합의 집합적 진짜 비구별성을 '분별'하는 비정상적인 간섭 효과를 출력에 제공하도록 설계된 새로운 종류의 간섭계를 기반으로 합니다. n 부분 하위 집합의 구별 불가능성과 관련하여 광자.”
양자 광학용 도구
이 기술은 100개 이상의 광자를 사용할 수 있지만 구별할 수 없는 변화를 관찰하는 데 필요한 측정 횟수는 광자의 수에 따라 기하급수적으로 증가합니다. 따라서 미래의 광학 컴퓨터에 필요한 수인 XNUMX 광자 이상에는 실용적이지 않습니다. 즉, Crespi는 과학자들이 광자를 구별할 수 없는지 여부를 알아야 하는 양자 광학 실험에 사용될 수 있다고 말합니다.
간섭벽은 단일 광자를 캡처합니다.
"진정한 구별 불가능성은 다중 광자 소스의 품질에 대한 정보를 제공하고 이러한 식별 방법을 결정하는 중요한 매개변수입니다. n 광자는 복잡한 정보 상태로 사용될 수 있습니다.”라고 그는 말합니다. 물리 세계. "양자 정보 처리 및 전송에 대한 양적 이점을 입증하는 신뢰할 수 있는 기술을 개발하려면 좋은 소스를 개발하는 것뿐만 아니라 이러한 리소스의 품질을 특성화하고 정량화하는 방법을 개발하는 것이 중요합니다."
팀 구성원 사라 토마스, 그는 현재 양자 광학의 박사후 연구원입니다. 영국 임페리얼 칼리지는 이 방법을 사용하여 Boson 샘플링과 같은 실험에 리소스 상태가 얼마나 좋은지 정량화할 수 있다고 말합니다. "이러한 특성화 도구는 다중 광자 상태 구축의 현재 제한 사항과 이것이 양자 간섭에 미치는 영향을 이해하고 잠재적으로 이러한 리소스 상태를 개선할 수 있는 경로를 찾는 데 유용할 것입니다."라고 그녀는 말합니다.
연구원들에 따르면, 그들의 혁신적인 장치는 포토닉스를 넘어 다중 입자 양자 간섭에 대한 근본적인 연구에 대한 새로운 길을 열 수 있는 독특한 간섭 효과를 직접 관찰할 수 있게 해준다. Thomas는 "우리는 양자 계측에서 이러한 효과의 의미를 탐구할 수 있습니다. 즉, 양자 활성화 효과를 통해 물리량의 향상된 추정을 위해 탐구할 수 있습니다."라고 Thomas는 밝혔습니다.
현재 작업은 다음에서 자세히 설명합니다. 물리적 검토 X.
