Gjenopplivet fotonsammenfiltring kan forbedre kvantekommunikasjon og bildebehandling

Gjenopplivet fotonsammenfiltring kan forbedre kvantekommunikasjon og bildebehandling   

Tidsstempel: 8. januar 2023 10:24

Illustrasjon av gjenoppliving av forviklinger
Tap og vekkelse: kunstnerisk illustrasjon av vinkelposisjonssammenfiltringen målt av Anand Jha og kolleger. (Med tillatelse: Anand Jha)

Forskere i India har vist at fotonsammenfiltring i en viss kontinuerlig-variabel basis gjenoppliver seg selv når fotonene forplanter seg bort fra kilden. Oppdagelsen kan vise seg nyttig for sikker overføring av kvanteinformasjon over lange avstander og for kvanteavbildning i turbulente medier.

Kvantesammenfiltring mellom fotoner utforskes mye av fysikere, ofte med sikte på å utvikle nye kvanteteknologier for databehandling, kommunikasjon, sansing og bildebehandling. Noen potensielle applikasjoner krever å sende sammenfiltrede fotoner over lange avstander eller gjennom turbulente miljøer uten tap. Imidlertid er det for tiden veldig vanskelig å bevare visse typer sammenfiltring under disse omstendighetene - og suksess kan avhenge av mange faktorer, inkludert hvordan kvanteinformasjonen er kodet i fotonene.

Nå Anand Jha og kolleger på Laboratoriet for kvanteoptikk og sammenfiltring ved Indian Institute of Technology Kanpur har gitt en mulig løsning ved å bruke vinkelposisjonene til fotoner for å kode informasjon. De observerte at sammenfiltring ser ut til å forsvinne etter hvert som fotonene forplanter seg, men dukker så merkelig nok opp igjen. De viste også at gjenopplivingen av sammenfiltring skjer selv etter at fotonene reiser gjennom turbulent luft, noe som normalt ville ødelegge sammenfiltring. De beskriver forskningen sin i Vitenskap Fremskritt.

Fotonsammenfiltring

Fotoner har mange forskjellige frihetsgrader som kan brukes til å kode kvanteinformasjon. Valget avhenger av hva slags informasjon som må kodes. For qubits kan diskrete egenskaper som polarisasjonen eller det orbitale vinkelmomentet til et foton brukes. Men noen ganger, spesielt for sanse- og bildeformål, er det bedre å kode kvanteinformasjon på en mer kontinuerlig måte. I slike applikasjoner er den mest utforskede sammenfiltrede egenskapen - eller "grunnlaget" - posisjonen til et foton gitt av dets kartesiske koordinater.

Fenomenet kvantesammenfiltring gir partikler et nærmere forhold enn det som er tillatt av klassisk fysikk og er uavhengig av hvilket spesielt grunnlag som brukes for å kode kvanteinformasjon. Måten sammenfiltring brukes eller måles i et eksperiment er imidlertid kanskje ikke grunnlagsuavhengig. Dette gjelder et forviklings-"vitne", som er en matematisk størrelse som avgjør om et system er sammenfiltret. Vitner er basisavhengige for kontinuerlige baser og denne avhengigheten betyr at noen typer kontinuerlig sammenfiltring kan være mer nyttige enn andre.

For posisjon-momentum-grunnlaget dør sammenfiltringen, sett gjennom vitnet, veldig raskt når fotonene forplanter seg bort fra kilden. For å komme rundt dette, avbilder forskere vanligvis selve kilden for å bruke sammenfiltring mellom fotoner. Eventuell turbulens i banen ødelegger også raskt sammenfiltringen, og krever komplekse løsninger som adaptiv optikk for å gjenopplive den. Disse ekstra korrigerende trinnene begrenser nytten av disse sammenfiltrede fotonene.

Denne siste forskningen av Jha og kolleger utforsker hvordan sammenfiltring kan bevares ved å bruke et nært beslektet alternativt grunnlag - vinkelposisjonen til et foton.

Generating, losing and reviving entanglement

I eksperimentet deres genererte forskerne sammenfiltrede fotoner ved å sende lys fra en "pumpe"-laser med høy effekt inn i en ikke-lineær krystall. Under forhold der fotonenes energier og momenta er bevart, vil ett pumpefoton produsere to sammenfiltrede fotoner i en prosess som kalles spontan parametrisk nedkonvertering (SPDC). De to fotonene er viklet inn i alle sine egenskaper. Hvis et foton oppdages på ett sted, for eksempel, bestemmes posisjonen til det andre sammenfiltrede fotonet automatisk. Korrelasjonen eksisterer også for andre størrelser, som momentum, vinkelposisjon og orbital vinkelmomentum.

Som sett gjennom vitnet uten noen korrigerende tiltak, observerte forskerne at posisjonssammenfiltring mellom fotoner forsvinner etter omtrent 4 cm forplantning. På den annen side skjer det noe interessant for vinkelposisjonssammenfiltring. Den forsvinner etter ca. 5 cm forplantning, men etter at fotonene har reist ytterligere 20 cm, vises sammenfiltring igjen (se figur). Forskerne bekreftet sine eksperimentelle resultater kvalitativt med en numerisk modell.

Den samme trenden ble observert da teamet skapte et turbulent miljø i veien til de sammenfiltrede fotonene. Dette ble gjort ved å bruke en blåsevarmer for å røre opp luft og endre brytningsindeksen. I dette tilfellet ble sammenfiltringen gjenopplivet etter at lyset hadde forplantet seg over en lengre avstand på ca. 45 cm.

Det er ennå ikke helt kjent hva som gjør at sammenfiltringen i vinkelposisjonsgrunnlaget dukker opp igjen. Grunnlaget er spesielt fordi det vikler seg rundt etter en hel sirkel. Det er en av dens kjennetegn, ifølge Jha.

Selv om studien viser robusthet over avstander på mindre enn en meter, hevder Jha og kolleger at gjenopplivingen også er mulig over kilometeravstander. Dette kan gjøre det mulig å overføre kvanteinformasjon gjennom atmosfærisk turbulens uten å ødelegge sammenfiltring. Robusthet gjennom turbulens kan også tillate kvanteavbildning av objekter i uklare biokjemiske miljøer med minimal invasjon eller ødeleggelse.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden