Ożywione splątanie fotonów może usprawnić komunikację i obrazowanie kwantowe   

Naukowcy z Indii wykazali, że splątanie fotonów w pewnej ciągłej zmiennej bazowej powraca do życia, gdy fotony oddalają się od źródła. Odkrycie może okazać się przydatne do bezpiecznego przesyłania informacji kwantowych na duże odległości oraz do obrazowania kwantowego w burzliwych mediach.

Fizycy intensywnie badają splątanie kwantowe między fotonami, często w celu opracowania nowych technologii kwantowych do obliczeń, komunikacji, wykrywania i obrazowania. Niektóre potencjalne zastosowania wymagają wysyłania splątanych fotonów na duże odległości lub przez turbulentne środowiska bez strat. Jednak obecnie zachowanie pewnych rodzajów splątania w tych okolicznościach jest bardzo trudne – a sukces może zależeć od wielu czynników, w tym od tego, jak informacja kwantowa jest zakodowana w fotonach.

Teraz Ananda Jha i koledzy z Laboratorium Optyki Kwantowej i Splątania w Indyjskim Instytucie Technologii Kanpur dostarczyli możliwego rozwiązania, wykorzystując położenie kątowe fotonów do kodowania informacji. Zaobserwowali, że splątanie wydaje się zanikać w miarę propagacji fotonów, ale potem w dziwny sposób pojawia się ponownie. Wykazali również, że odrodzenie splątania następuje nawet po przejściu fotonów przez turbulentne powietrze, co normalnie zniszczyłoby splątanie. Swoje badania opisują m.in Postępy nauki.

Splątanie fotonów

Fotony mają wiele różnych stopni swobody, które można wykorzystać do kodowania informacji kwantowych. Wybór zależy od rodzaju informacji, które mają być zaszyfrowane. W przypadku kubitów można zastosować właściwości dyskretne, takie jak polaryzacja lub orbitalny moment pędu fotonu. Ale czasami, zwłaszcza do celów wykrywania i obrazowania, lepiej jest kodować informacje kwantowe w bardziej ciągły sposób. W takich zastosowaniach najczęściej badaną splątaną właściwością – lub „bazą” – jest pozycja fotonu określona przez jego współrzędne kartezjańskie.

Zjawisko splątania kwantowego nadaje cząstkom bliższy związek niż pozwala na to fizyka klasyczna i jest niezależne od tego, która konkretna podstawa jest używana do kodowania informacji kwantowej. Jednak sposób wykorzystania lub pomiaru splątania w eksperymencie może nie być niezależny od podstawy. Dotyczy to „świadka” splątania, który jest wielkością matematyczną określającą, czy układ jest splątany. Świadectwa są zależne od baz dla baz ciągłych i ta zależność oznacza, że ​​niektóre rodzaje ciągłego splątania mogą być bardziej przydatne niż inne.

W przypadku podstawy położenia i pędu splątanie widziane przez świadka zanika bardzo szybko, gdy fotony rozchodzą się od źródła. Aby obejść ten problem, naukowcy zwykle obrazują samo źródło, aby wykorzystać splątanie między fotonami. Wszelkie turbulencje na ścieżce również szybko niszczą splątanie, co wymaga złożonych rozwiązań, takich jak optyka adaptacyjna, aby je ożywić. Te dodatkowe kroki naprawcze ograniczają użyteczność tych splątanych fotonów.

Najnowsze badania przeprowadzone przez Jha i współpracowników badają, w jaki sposób można zachować splątanie, stosując blisko powiązaną alternatywną podstawę – położenie kątowe fotonu.

Generating, losing and reviving entanglement

W swoim eksperymencie naukowcy wygenerowali splątane fotony, wysyłając światło z lasera „pompy” o dużej mocy do nieliniowego kryształu. W warunkach, w których energia i pęd fotonów są zachowane, jeden foton pompujący wytworzy dwa splątane fotony w procesie zwanym spontaniczną parametryczną konwersją w dół (SPDC). Dwa fotony są splątane we wszystkich swoich właściwościach. Jeśli na przykład foton zostanie wykryty w jednym miejscu, pozycja drugiego splątanego fotonu jest określana automatycznie. Korelacja istnieje również dla innych wielkości, takich jak pęd, położenie kątowe i orbitalny moment pędu.

Jak widzieli świadkowie bez żadnych środków naprawczych, naukowcy zaobserwowali, że splątanie pozycji między fotonami znika po około 4 cm propagacji. Z drugiej strony dzieje się coś interesującego w przypadku splątania w położeniu kątowym. Znika po około 5 cm propagacji, ale po przebyciu przez fotony kolejnych 20 cm splątanie pojawia się ponownie (patrz rysunek). Naukowcy potwierdzili swoje wyniki eksperymentalne jakościowo za pomocą modelu numerycznego.

Metoda destylacji wzmacnia splątanie kwantowe w pojedynczej parze fotonów

Ten sam trend zaobserwowano, gdy zespół stworzył turbulentne środowisko na ścieżce splątanych fotonów. Dokonano tego za pomocą nagrzewnicy do mieszania powietrza i zmiany jego współczynnika załamania światła. W tym przypadku splątanie zostało przywrócone po propagacji światła na większą odległość około 45 cm.

Nie do końca wiadomo, co powoduje ponowne pojawienie się splątania w podstawie położenia kątowego. Podstawa jest wyjątkowa, ponieważ zawija się po pełnym okrążeniu. Według Jha jest to jeden z wyróżniających go czynników.

Mimo że badanie wykazało odporność na odległości mniejsze niż metr, Jha i współpracownicy twierdzą, że ożywienie jest możliwe również na odległościach kilometrowych. Mogłoby to umożliwić przesyłanie informacji kwantowych przez turbulencje atmosferyczne bez niszczenia splątania. Odporność na turbulencje może również pozwolić na obrazowanie kwantowe obiektów w rozmytych środowiskach biochemicznych przy minimalnej inwazji lub zniszczeniu.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/revived-photon-entanglement-could-enhance-quantum-communication-and-imaging/