Hvor umulige er de i et utvalg fotoner som ikke kan skilles? Et internasjonalt team av forskere har nå svart på dette spørsmålet ved å foreta den første nøyaktige målingen av multi-foton som ikke kan skilles fra hverandre. Ved å bruke en nyskapende type optisk interferometer basert på sammenkoblede bølgeledere, viste teamet at det er mulig å sjekke både ytelsen til enkeltfotonkilder og genereringen av multifotontilstander i kvanteoptikkeksperimenter – et prestasjonsteammedlem Andrea Crespi beskriver som å legge til "et ekstra element til verktøykassen til kvanteoptikkeksperimenteren".
I den dagligdagse verden styrt av klassisk fysikk, kan vi alltid finne måter å fortelle hvilket makroskopisk objekt som er hvilket, selv om mange objekter ser overfladisk identiske ut. I kvanteverdenen kan imidlertid partikler være identiske i dyp forstand, forklarer Crespi, fysiker ved Polytekniske universitetet i Milano, Italia. Dette gjør det virkelig umulig å skille en partikkel fra den andre og fører til bølgelignende atferd som interferens.
Disse uvanlige atferdene gjør identiske fotoner til en nøkkelressurs i optiske kvanteteknologier. I kvanteberegning, for eksempel, danner de grunnlaget for qubitene, eller kvantebitene, som brukes til å utføre beregninger. I kvantekommunikasjon brukes de til å sende informasjon over store kvantenettverk.
Beviser ekte umulighet
For å sjekke om to fotoner ikke kan skilles, sender forskere dem vanligvis gjennom et interferometer der to kanaler, eller bølgeledere, er så nærme at hver av fotonene kan passere gjennom en av dem. Hvis de to fotonene er helt umulig å skille, ender de alltid sammen i samme bølgeleder. Denne teknikken kan imidlertid ikke brukes for større sett med fotoner, for selv om den ble gjentatt for alle mulige to-fotonkombinasjoner, ville den fortsatt ikke være nok til å karakterisere multifotonsettet fullt ut. Dette er grunnen til at "ekte utskillelighet" - en parameter som kvantifiserer hvor nært et sett med fotoner er denne ideelle, identiske tilstanden - er så vanskelig å måle for flere fotoner.
I det nye arbeidet har forskere fra Milano og Universitetet i Roma "La Sapienza" i Italia; de Det italienske forskningsrådet; de Senter for nanovitenskap og nanoteknologi i Palaiseau, Frankrike; og det fotoniske kvanteberegningsfirmaet Quandela konstruerte en "utskillelighetstest" for fire fotoner. Systemet deres besto av en glassplate der de hadde prentet åtte bølgeledere ved hjelp av en laserskriveteknikk. Ved å bruke en halvlederkvantepunktkilde sendte de fotonene gjentatte ganger inn i bølgelederne, og registrerte deretter hvilke som var opptatt med et foton.
Deretter brukte de en mikrovarmer for å varme opp en av bølgelederne som inneholdt et foton. Økningen i temperatur endret bølgelederens brytningsindeks, induserte en endring i fotonets optiske fase og fikk det til å hoppe til en annen av syv bølgeledere takket være interferenseffekter.
Eksperimentet viste at amplituden til oscillasjonene mellom bølgeledere kunne brukes til å bestemme den genuine umulighetsparameteren, som er et tall mellom 0 og 1 (med 1 som tilsvarer helt identiske fotoner). I eksperimentet deres beregnet de en utskillelighet på 0.8.
"I tilfelle av n fotoner, begrepet genuin utskillelighet kvantifiserer på den mest autentiske måten hvor umulig det er å skille disse partiklene, og det er relatert til hvor uttalt de kollektive kvanteinterferenseffektene er, forklarer Crespi. "Vår teknikk for å måle denne mengden er basert på en ny type interferometer designet for å gi, ved utgangen, uvanlige interferenseffekter som "destillerer" den kollektive, genuine utskilleligheten til hele settet av n fotoner med hensyn til at partielle undergrupper ikke kan skilles ut."
Verktøy for kvanteoptikk
Mens teknikken kunne fungere med mer enn fire fotoner, øker antallet målinger som kreves for å observere variasjoner for umulig å skille ut, eksponentielt med antall fotoner. Det ville derfor ikke være praktisk for 100 fotoner eller mer, som er det sannsynlige antallet som kreves for en fremtidig optisk datamaskin. Når det er sagt, sier Crespi at det kan brukes i kvanteoptikkeksperimenter der forskere trenger å vite om fotoner ikke kan skilles fra hverandre eller ikke.
Interferensvegg fanger opp enkeltfotoner
«Den genuine utskilleligheten er en avgjørende parameter som gir informasjon om kvaliteten til en multi-fotonkilde og bestemmer hvordan disse n fotoner kan brukes komplekse informasjonstilstander,” forteller han Fysikkens verden. "For å utvikle pålitelige teknologier som viser kvantitative fordeler for kvanteinformasjonsprosesser og -overføring, er det avgjørende ikke bare å utvikle gode kilder, men også å utvikle metoder for å karakterisere og kvantifisere kvaliteten på disse ressursene."
Teammedlem Sarah thomas, som nå er postdoktor i kvanteoptikk ved Imperial College London, Storbritannia, sier at metoden kan brukes til å kvantifisere hvor gode ressurstilstander er for eksperimenter som boson-prøvetaking. "Et slikt karakteriseringsverktøy vil være nyttig for å forstå de nåværende begrensningene i å bygge multi-fotontilstander og implikasjonen dette har på kvanteinterferens, og derfor potensielt finne ruter for å forbedre disse ressurstilstandene," sier hun.
Ifølge forskerne lar deres innovative enhet dem direkte observere særegne interferenseffekter som kan åpne nye veier til grunnleggende forskning på multi-partikkel kvanteinterferens, selv utover fotonikk. "Vi kan utforske implikasjonene av disse effektene i kvantemetrologi - det vil si for forbedret estimering av fysiske mengder ved hjelp av kvanteaktiverte effekter," avslører Thomas.
Det nåværende arbeidet er detaljert i Fysisk gjennomgang X.
