Într-un eșantion de fotoni care nu se pot distinge, cât de nedistinși sunt aceștia? O echipă internațională de oameni de știință a răspuns acum la această întrebare făcând prima măsurătoare precisă a indistinguirii multi-fotonilor. Folosind un tip inovator de interferometru optic bazat pe ghiduri de undă interconectate, echipa a arătat că este posibil să se verifice atât performanța surselor cu un singur foton, cât și generarea de stări multi-fotonice în experimentele de optică cuantică – un membru al echipei de realizare. Andrea Crespi descrie ca adăugarea „un element suplimentar la cutia de instrumente a experimentatorului de optică cuantică”.
În lumea de zi cu zi guvernată de fizica clasică, putem găsi întotdeauna modalități de a spune care obiect macroscopic este care, chiar dacă multe obiecte par superficial identice. În lumea cuantică, totuși, particulele pot fi identice într-un sens profund, explică Crespi, un fizician la Universitatea Politehnică din Milano, Italia. Acest lucru face cu adevărat imposibilă distingerea unei particule de cealaltă și duce la comportamente asemănătoare undelor, cum ar fi interferența.
Aceste comportamente neobișnuite fac din fotonii identici o resursă cheie în tehnologiile cuantice optice. În calculul cuantic, de exemplu, ei formează baza qubiților, sau biților cuantici, utilizați pentru a efectua calcule. În comunicarea cuantică, ele sunt folosite pentru a trimite informații prin rețele cuantice la scară largă.
Dovedind indistincbilitatea reală
Pentru a verifica dacă doi fotoni nu se pot distinge, cercetătorii îi trimit de obicei printr-un interferometru în care două canale, sau ghiduri de undă, sunt atât de apropiate încât fiecare dintre fotoni poate trece prin oricare dintre ei. Dacă cei doi fotoni nu se pot distinge perfect, ei ajung întotdeauna împreună în același ghid de undă. Cu toate acestea, această tehnică nu poate fi utilizată pentru seturi mai mari de fotoni, deoarece chiar dacă s-ar repeta pentru toate combinațiile posibile de doi fotoni, tot nu ar fi suficient pentru a caracteriza pe deplin setul multi-fotoni. Acesta este motivul pentru care „indistincbilitatea autentică” – un parametru care cuantifică cât de aproape este un set de fotoni de această stare ideală, identică – este atât de greu de măsurat pentru fotoni multipli.
În noua lucrare, cercetători din Milano și Universitatea din Roma „La Sapienza” din Italia; Consiliul Italian de Cercetare; Centrul pentru Nanoștiințe și Nanotehnologie din Palaiseau, Franța; și firma de calcul cuantic fotonic Quandela a construit un „test de indistingere” pentru patru fotoni. Sistemul lor a constat dintr-o placă de sticlă în care au imprimat opt ghiduri de undă folosind o tehnică de scriere cu laser. Folosind o sursă de puncte cuantice semiconductoare, ei au trimis în mod repetat fotonii în ghidurile de undă, apoi au înregistrat care dintre ei au fost ocupați cu un foton.
Apoi, au folosit un microîncălzitor pentru a încălzi unul dintre ghidurile de undă care conțineau un foton. Creșterea temperaturii a modificat indicele de refracție al ghidului de undă, inducând o modificare a fazei optice a fotonului și făcându-l să treacă la unul dintre cele șapte ghiduri de undă datorită efectelor de interferență.
Experimentul a arătat că amplitudinea oscilațiilor dintre ghidurile de undă ar putea fi utilizată pentru a determina parametrul autentic de indistinguire, care este un număr între 0 și 1 (cu 1 corespunzând unor fotoni perfect identici). În experimentul lor, ei au calculat o imposibilitate de distingere de 0.8.
"În cazul în care n fotoni, conceptul de indistinguire autentică cuantifică în cel mai autentic mod cât de imposibil este să distingem aceste particule și este legat de cât de pronunțate sunt efectele interferențelor cuantice colective”, explică Crespi. „Tehnica noastră de măsurare a acestei cantități se bazează pe un nou tip de interferometru conceput pentru a da, la ieșire, efecte de interferență neobișnuite care „distilează” indistingubilitatea reală colectivă a întregului set de n fotonii cu privire la indistinguirea submulților parțiale.”
Instrumente pentru optica cuantică
În timp ce tehnica ar putea funcționa cu mai mult de patru fotoni, numărul de măsurători necesare pentru a observa variațiile de indistinguire crește exponențial cu numărul de fotoni. Prin urmare, nu ar fi practic pentru 100 de fotoni sau mai mult, care este numărul probabil necesar pentru un viitor computer optic. Acestea fiind spuse, Crespi spune că ar putea fi folosit în experimente de optică cuantică în care oamenii de știință trebuie să știe dacă fotonii nu se pot distinge sau nu.
Peretele de interferență captează un singur fotoni
„Indiferența reală este un parametru crucial care oferă informații despre calitatea unei surse multi-fotonice și determină modul în care acestea n fotonii ar putea fi folosiți stări de informații complexe”, spune el Lumea fizicii. „Pentru a dezvolta tehnologii de încredere care să demonstreze avantaje cantitative pentru procesul și transferul de informații cuantice, este esențial nu numai să se dezvolte surse bune, ci și să se dezvolte metode de caracterizare și cuantificare a calității acestor resurse.”
Membru al echipei Sarah Thomas, care acum este postdoctorat în optică cuantică la Imperial College London, Marea Britanie, spune că metoda ar putea fi folosită pentru a cuantifica cât de bune sunt stările resurselor pentru experimente precum eșantionarea bosonilor. „Un astfel de instrument de caracterizare va fi util pentru înțelegerea limitărilor actuale în construirea stărilor multi-fotonice și a implicațiilor pe care aceasta le are asupra interferenței cuantice și, prin urmare, în găsirea potențialului de rute către îmbunătățirea acestor stări de resurse”, spune ea.
Potrivit cercetătorilor, dispozitivul lor inovator le permite să observe în mod direct efectele de interferență deosebite care pot deschide noi căi către cercetările fundamentale privind interferența cuantică cu mai multe particule, chiar și dincolo de fotonică. „Am putea explora implicațiile acestor efecte în metrologia cuantică – adică pentru estimarea îmbunătățită a cantităților fizice prin intermediul efectelor activate cuantic”, dezvăluie Thomas.
Lucrarea de față este detaliată în Revizuirea fizică X.
