W próbce nierozróżnialnych fotonów, jak bardzo są one nierozróżnialne? Międzynarodowy zespół naukowców odpowiedział teraz na to pytanie, dokonując pierwszego precyzyjnego pomiaru nierozróżnialności wielu fotonów. Za pomocą innowacyjnego typu interferometru optycznego opartego na połączonych ze sobą falowodach zespół pokazał, że możliwe jest sprawdzenie zarówno działania źródeł jednofotonowych, jak i generowania stanów wielofotonowych w eksperymentach z optyki kwantowej – członek zespołu ds. osiągnięć Andrzej Crespi opisuje jako dodanie „dodatkowego elementu do zestawu narzędzi eksperymentatora optyki kwantowej”.
W codziennym świecie rządzonym przez fizykę klasyczną zawsze możemy znaleźć sposób na określenie, który obiekt makroskopowy jest którym, nawet jeśli wiele obiektów wygląda powierzchownie identycznie. Jednak w świecie kwantowym cząstki mogą być identyczne w głębokim sensie, wyjaśnia Crespi, fizyk z Politechnika w Mediolanie, Włochy. To naprawdę uniemożliwia odróżnienie jednej cząstki od drugiej i prowadzi do zachowań przypominających fale, takich jak interferencja.
Te niezwykłe zachowania sprawiają, że identyczne fotony są kluczowym zasobem w optycznych technologiach kwantowych. Na przykład w obliczeniach kwantowych stanowią one podstawę kubitów lub bitów kwantowych używanych do wykonywania obliczeń. W komunikacji kwantowej są one wykorzystywane do przesyłania informacji przez wielkoskalowe sieci kwantowe.
Udowodnienie prawdziwej nierozróżnialności
Aby sprawdzić, czy dwa fotony są nie do odróżnienia, badacze zwykle przesyłają je przez interferometr, w którym dwa kanały lub falowody są tak blisko, że każdy z fotonów może przejść przez którykolwiek z nich. Jeśli dwa fotony są całkowicie nie do odróżnienia, zawsze trafiają razem do tego samego falowodu. Techniki tej nie da się jednak zastosować do większych zbiorów fotonów, bo nawet gdyby została powtórzona dla wszystkich możliwych kombinacji dwufotonowych, to i tak nie wystarczyłaby do pełnego scharakteryzowania zbioru wielofotonowego. Właśnie dlatego „prawdziwa nierozróżnialność” – parametr określający, jak blisko zestawu fotonów znajduje się ten idealny, identyczny stan – jest tak trudna do zmierzenia dla wielu fotonów.
W nowej pracy naukowcy z Mediolanu i Uniwersytet Rzymski „La Sapienza” we Włoszech; Włoska Rada ds. Badań; Centrum Nanonauk i Nanotechnologii w Palaiseau we Francji; oraz firma fotonicznych obliczeń kwantowych Quandela skonstruował „test nierozróżnialności” dla czterech fotonów. Ich system składał się ze szklanej płyty, w której odcisnęli osiem falowodów techniką pisania laserowego. Używając półprzewodnikowego źródła kropek kwantowych, wielokrotnie wysyłali fotony do falowodów, a następnie rejestrowali, które z nich były zajęte przez foton.
Następnie użyli mikropodgrzewacza do ogrzania jednego z falowodów zawierających foton. Wzrost temperatury zmienił współczynnik załamania światła falowodu, wywołując zmianę fazy optycznej fotonu i powodując przeskok do innego z siedmiu falowodów dzięki efektom interferencji.
Eksperyment pokazał, że amplituda oscylacji między falowodami może być wykorzystana do określenia rzeczywistego parametru nierozróżnialności, który jest liczbą z przedziału od 0 do 1 (gdzie 1 odpowiada idealnie identycznym fotonom). W swoim eksperymencie obliczyli nierozróżnialność na poziomie 0.8.
"W przypadku n fotonów, koncepcja prawdziwej nierozróżnialności określa ilościowo w najbardziej autentyczny sposób, jak niemożliwe jest rozróżnienie tych cząstek i jest to związane z tym, jak wyraźne są zbiorowe efekty interferencji kwantowej” — wyjaśnia Crespi. „Nasza technika pomiaru tej wielkości opiera się na nowym rodzaju interferometru zaprojektowanego tak, aby dawał na wyjściu niezwykłe efekty interferencji, które „wydestylowują” zbiorową autentyczną nierozróżnialność pełnego zestawu n fotonów w odniesieniu do nierozróżnialności podzbiorów cząstkowych”.
Narzędzia dla optyki kwantowej
Chociaż technika ta może działać z więcej niż czterema fotonami, liczba pomiarów wymaganych do zaobserwowania zmian nierozróżnialności rośnie wykładniczo wraz z liczbą fotonów. Dlatego nie byłoby to praktyczne dla 100 fotonów lub więcej, co jest prawdopodobną liczbą wymaganą dla przyszłego komputera optycznego. To powiedziawszy, Crespi twierdzi, że można go wykorzystać w eksperymentach z optyką kwantową, w których naukowcy muszą wiedzieć, czy fotony są nie do odróżnienia, czy nie.
Ściana interferencyjna wychwytuje pojedyncze fotony
„Prawdziwa nierozróżnialność jest kluczowym parametrem, który dostarcza informacji o jakości źródła wielofotonowego i określa, w jaki sposób te n fotony mogą być wykorzystywane w złożonych stanach informacyjnych” – mówi Świat Fizyki. „Aby opracować niezawodne technologie, które wykazują korzyści ilościowe w przetwarzaniu i przesyłaniu informacji kwantowych, kluczowe znaczenie ma nie tylko opracowanie dobrych źródeł, ale także opracowanie metod charakteryzowania i ilościowego określania jakości tych zasobów”.
Członek zespołu Sara Tomasz, który jest obecnie doktorem habilitowanym w dziedzinie optyki kwantowej w Imperial College London, Wielka Brytania, mówi, że metoda może być wykorzystana do ilościowego określenia, jak dobre są stany zasobów dla eksperymentów, takich jak próbkowanie bozonu. „Takie narzędzie do charakteryzowania będzie przydatne w zrozumieniu obecnych ograniczeń w budowaniu stanów wielofotonowych i implikacji, jakie ma to na interferencję kwantową, a tym samym w potencjalnym znalezieniu dróg do poprawy tych stanów zasobów” – mówi.
Według naukowców ich innowacyjne urządzenie pozwala im bezpośrednio obserwować osobliwe efekty interferencyjne, które mogą otworzyć nowe ścieżki do podstawowych badań nad wielocząsteczkowymi interferencjami kwantowymi, wykraczającymi nawet poza fotonikę. „Moglibyśmy zbadać implikacje tych efektów w metrologii kwantowej – to znaczy w celu ulepszonego oszacowania wielkości fizycznych za pomocą efektów aktywowanych kwantowo”, ujawnia Thomas.
Niniejsza praca jest szczegółowo opisana w: Przegląd fizyczny X.
