Herleefde fotonverstrengeling zou de kwantumcommunicatie en beeldvorming kunnen verbeteren

Herleefde fotonverstrengeling zou de kwantumcommunicatie en beeldvorming kunnen verbeteren   

Tijdstempel: 8 januari 2023 10:24 uur

Illustratie van heropleving van verstrengeling
Verlies en heropleving: artistieke illustratie van de verstrengeling van de hoekpositie gemeten door Anand Jha en collega's. (Met dank aan Anand Jha)

Onderzoekers in India hebben aangetoond dat fotonenverstrengeling op een bepaalde continu-variabele basis zichzelf weer tot leven wekt naarmate de fotonen zich van hun bron voortplanten. De ontdekking zou nuttig kunnen zijn voor het veilig verzenden van kwantuminformatie over lange afstanden en voor kwantumbeeldvorming in turbulente media.

Kwantumverstrengeling tussen fotonen wordt uitgebreid onderzocht door natuurkundigen, vaak met als doel nieuwe kwantumtechnologieën te ontwikkelen voor computers, communicatie, detectie en beeldvorming. Sommige potentiële toepassingen vereisen het zonder verlies verzenden van verstrengelde fotonen over lange afstanden of door turbulente omgevingen. Het is momenteel echter erg lastig om onder deze omstandigheden bepaalde vormen van verstrengeling in stand te houden – en succes kan van veel factoren afhangen, waaronder hoe de kwantuminformatie in de fotonen is gecodeerd.

Nu Anand Jha en collega's bij de Kwantumoptica en verstrengelingslaboratorium van het Indian Institute of Technology Kanpur heeft een mogelijke oplossing geboden door de hoekposities van fotonen te gebruiken om informatie te coderen. Ze merkten op dat de verstrengeling lijkt te verdwijnen als de fotonen zich voortplanten, maar dan vreemd genoeg weer verschijnt. Ze toonden ook aan dat de heropleving van de verstrengeling plaatsvindt, zelfs nadat de fotonen door turbulente lucht reizen, wat normaal gesproken de verstrengeling zou vernietigen. Zij beschrijven hun onderzoek in Wetenschap Advances.

Verstrengeling van fotonen

Fotonen hebben veel verschillende vrijheidsgraden die kunnen worden gebruikt om kwantuminformatie te coderen. De keuze hangt af van het soort informatie dat gecodeerd moet worden. Voor qubits kunnen discrete eigenschappen zoals de polarisatie of het orbitale impulsmoment van een foton worden gebruikt. Maar soms is het, vooral voor detectie- en beeldvormingsdoeleinden, beter om kwantuminformatie op een meer continue manier te coderen. Bij dergelijke toepassingen is de meest onderzochte, verstrengelde eigenschap – of ‘basis’ – de positie van een foton, gegeven door zijn cartesische coördinaten.

Het fenomeen kwantumverstrengeling geeft deeltjes een nauwere relatie dan toegestaan ​​is door de klassieke natuurkunde en is onafhankelijk van welke specifieke basis wordt gebruikt om kwantuminformatie te coderen. De manier waarop verstrengeling in een experiment wordt gebruikt of gemeten, is echter mogelijk niet basisonafhankelijk. Dit geldt voor een ‘getuige’ van verstrengeling, een wiskundige grootheid die bepaalt of een systeem verstrengeld is. Getuigen zijn basisafhankelijk voor continue bases en deze afhankelijkheid betekent dat sommige vormen van continue verstrengeling nuttiger kunnen zijn dan andere.

Voor de positie-momentumbasis sterft de verstrengeling, zoals gezien door de getuige, zeer snel uit naarmate de fotonen zich voortplanten weg van hun bron. Om dit te omzeilen, beelden wetenschappers de bron zelf meestal af door gebruik te maken van verstrengeling tussen fotonen. Elke turbulentie op het pad vernietigt ook snel de verstrengeling, waardoor complexe oplossingen zoals adaptieve optica nodig zijn om deze nieuw leven in te blazen. Deze aanvullende corrigerende stappen beperken het nut van deze verstrengelde fotonen.

Dit laatste onderzoek van Jha en collega's onderzoekt hoe verstrengeling kan worden behouden door een nauw verwante alternatieve basis te gebruiken: de hoekpositie van een foton.

Het genereren, verliezen en doen herleven van verstrengeling

In hun experiment genereerden de onderzoekers verstrengelde fotonen door licht van een krachtige ‘pomp’-laser naar een niet-lineair kristal te sturen. Onder omstandigheden waarin de energie en het momentum van de fotonen behouden blijven, zal één pompfoton twee verstrengelde fotonen produceren in een proces dat spontane parametrische neerwaartse conversie (SPDC) wordt genoemd. De twee fotonen zijn in al hun eigenschappen verstrengeld. Als bijvoorbeeld op de ene locatie een foton wordt gedetecteerd, wordt automatisch de positie van het andere verstrengelde foton bepaald. De correlatie bestaat ook voor andere grootheden, zoals momentum, hoekpositie en orbitaal impulsmoment.

Zoals gezien door de getuige zonder enige corrigerende maatregelen, constateerden de onderzoekers dat positieverstrengeling tussen fotonen verdwijnt na ongeveer 4 cm voortplanting. Aan de andere kant gebeurt er iets interessants met betrekking tot hoekpositieverstrengeling. Het verdwijnt na ongeveer 5 cm voortplanting, maar nadat de fotonen nog eens 20 cm hebben afgelegd, treedt er weer verstrengeling op (zie figuur). De onderzoekers bevestigden hun experimentele resultaten kwalitatief met een numeriek model.

Dezelfde trend werd waargenomen toen het team een ​​turbulente omgeving creëerde in het pad van de verstrengelde fotonen. Dit werd gedaan met behulp van een blaasverhitter om lucht in beweging te brengen en de brekingsindex ervan te veranderen. In dit geval werd de verstrengeling weer tot leven gewekt nadat het licht zich over een langere afstand van ongeveer 45 cm had voortgeplant.

Het is nog niet volledig bekend waardoor de verstrengeling in de hoekpositiebasis opnieuw optreedt. De basis is bijzonder omdat deze zich na een volledige cirkel omwikkelt. Dat is volgens Jha een van de onderscheidende factoren.

Hoewel de studie robuustheid aantoont over afstanden van minder dan een meter, beweren Jha en collega's dat de heropleving ook over kilometerafstanden mogelijk is. Dit zou het mogelijk kunnen maken om kwantuminformatie door atmosferische turbulentie te verzenden zonder de verstrengeling te vernietigen. Robuustheid door turbulentie zou ook de kwantumbeeldvorming van objecten in vage biochemische omgevingen met minimale invasie of vernietiging mogelijk kunnen maken.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld