Hoe ononderscheidbaar zijn ze in een steekproef van niet te onderscheiden fotonen? Een internationaal team van wetenschappers heeft deze vraag nu beantwoord door de eerste nauwkeurige meting van de ononderscheidbaarheid van meerdere fotonen te maken. Met behulp van een innovatief type optische interferometer op basis van onderling verbonden golfgeleiders, toonde het team aan dat het mogelijk is om zowel de prestaties van enkelvoudige fotonbronnen als het genereren van multi-fotontoestanden te controleren in kwantumoptica-experimenten - een prestatieteamlid Andrea Crespi beschrijft als het toevoegen van "een extra element aan de gereedschapskist van de kwantumoptica-experimentator".
In de alledaagse wereld die wordt beheerst door de klassieke natuurkunde, kunnen we altijd manieren vinden om te bepalen welk macroscopisch object welk object is, zelfs als veel objecten er oppervlakkig gezien identiek uitzien. In de kwantumwereld kunnen deeltjes echter in diepe zin identiek zijn, legt Crespi uit, een natuurkundige aan de Polytechnische Universiteit van Milaan, Italië. Dit maakt het echt onmogelijk om het ene deeltje van het andere te onderscheiden en leidt tot golfachtig gedrag zoals interferentie.
Dit ongebruikelijke gedrag maakt identieke fotonen tot een sleutelbron in optische kwantumtechnologieën. Bij quantumcomputing vormen ze bijvoorbeeld de basis van de qubits, of quantumbits, waarmee berekeningen worden uitgevoerd. In kwantumcommunicatie worden ze gebruikt om informatie over grootschalige kwantumnetwerken te verzenden.
Echte ononderscheidbaarheid bewijzen
Om te controleren of twee fotonen niet van elkaar te onderscheiden zijn, sturen onderzoekers ze meestal door een interferometer waarin twee kanalen, of golfgeleiders, zo dichtbij zijn dat elk van de fotonen door een van beide kan gaan. Als de twee fotonen perfect niet van elkaar te onderscheiden zijn, komen ze altijd samen in dezelfde golfgeleider terecht. Deze techniek kan echter niet worden gebruikt voor grotere reeksen fotonen, want zelfs als deze zou worden herhaald voor alle mogelijke combinaties van twee fotonen, zou het nog steeds niet voldoende zijn om de reeks met meerdere fotonen volledig te karakteriseren. Dit is de reden waarom "echte ononderscheidbaarheid" - een parameter die kwantificeert hoe dicht een reeks fotonen bij deze ideale, identieke toestand is - zo moeilijk te meten is voor meerdere fotonen.
In het nieuwe werk, onderzoekers uit Milaan en de Universiteit van Rome "La Sapienza" in Italië; de Italiaanse Onderzoeksraad; de Centrum voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie in Palaiseau, Frankrijk; en het bedrijf voor fotonische kwantumcomputers Quandela construeerde een "ononderscheidbaarheidstest" voor vier fotonen. Hun systeem bestond uit een glasplaat waarin ze met een laserschrijftechniek acht golfgeleiders hadden gedrukt. Met behulp van een halfgeleider kwantumdot-bron stuurden ze herhaaldelijk de fotonen de golfgeleiders in en registreerden vervolgens welke bezet waren met een foton.
Vervolgens gebruikten ze een microverwarmer om een van de golfgeleiders met een foton op te warmen. De temperatuurstijging veranderde de brekingsindex van de golfgeleider, veroorzaakte een verandering in de optische fase van het foton en zorgde ervoor dat het naar een andere van de zeven golfgeleiders sprong dankzij interferentie-effecten.
Het experiment toonde aan dat de amplitude van de oscillaties tussen golfgeleiders kan worden gebruikt om de echte ononderscheidbaarheidsparameter te bepalen, wat een getal is tussen 0 en 1 (waarbij 1 overeenkomt met perfect identieke fotonen). In hun experiment berekenden ze een ononderscheidbaarheid van 0.8.
"In het geval van n fotonen, kwantificeert het concept van echte ononderscheidbaarheid op de meest authentieke manier hoe onmogelijk het is om deze deeltjes te onderscheiden en het houdt verband met hoe uitgesproken de collectieve kwantuminterferentie-effecten zijn, "legt Crespi uit. “Onze techniek om deze grootheid te meten is gebaseerd op een nieuw soort interferometer die is ontworpen om aan de uitgang ongebruikelijke interferentie-effecten te geven die de collectieve echte ononderscheidbaarheid van de volledige set van n fotonen met betrekking tot de ononderscheidbaarheid van gedeeltelijke subsets."
Hulpmiddelen voor kwantumoptica
Hoewel de techniek met meer dan vier fotonen zou kunnen werken, neemt het aantal metingen dat nodig is om variaties op ononderscheidbaarheid waar te nemen exponentieel toe met het aantal fotonen. Het zou daarom niet praktisch zijn voor 100 fotonen of meer, wat waarschijnlijk het aantal is dat nodig is voor een toekomstige optische computer. Dat gezegd hebbende, zegt Crespi dat het zou kunnen worden gebruikt in kwantumoptica-experimenten waarin wetenschappers moeten weten of fotonen niet van elkaar te onderscheiden zijn of niet.
Interferentiemuur vangt enkele fotonen op
“De echte ononderscheidbaarheid is een cruciale parameter die informatie geeft over de kwaliteit van een multi-fotonenbron en bepaalt hoe deze n fotonen zouden complexe informatietoestanden kunnen zijn”, vertelt hij Natuurkunde wereld. "Om betrouwbare technologieën te ontwikkelen die kwantitatieve voordelen bieden voor het proces en de overdracht van kwantuminformatie, is het niet alleen van cruciaal belang om goede bronnen te ontwikkelen, maar ook om methoden te ontwikkelen om de kwaliteit van deze bronnen te karakteriseren en te kwantificeren."
Teamlid Sarah Thomas, die nu een postdoc in kwantumoptica is bij Imperial College London, Verenigd Koninkrijk, zegt dat de methode kan worden gebruikt om te kwantificeren hoe goed de status van bronnen is voor experimenten zoals Boson-sampling. "Zo'n karakteriseringstool zal nuttig zijn om de huidige beperkingen bij het bouwen van multi-fotontoestanden te begrijpen en de implicaties die dit heeft voor kwantuminterferentie, en daarom mogelijk routes te vinden om deze brontoestanden te verbeteren", zegt ze.
Volgens de onderzoekers stelt hun innovatieve apparaat hen in staat om eigenaardige interferentie-effecten direct waar te nemen die nieuwe wegen kunnen openen voor fundamenteel onderzoek naar kwantuminterferentie met meerdere deeltjes, zelfs buiten de fotonica. "We zouden de implicaties van deze effecten in de kwantummetrologie kunnen onderzoeken - dat wil zeggen, voor de verbeterde schatting van fysieke grootheden door middel van kwantumeffecten", onthult Thomas.
Het huidige werk is gedetailleerd in Fysieke beoordeling X.
