В выборке неразличимых фотонов, насколько они неразличимы? Международная группа ученых ответила на этот вопрос, проведя первое точное измерение многофотонной неразличимости. Используя инновационный тип оптического интерферометра на основе взаимосвязанных волноводов, команда показала, что можно проверить как производительность однофотонных источников, так и генерацию многофотонных состояний в экспериментах по квантовой оптике. Андреа Креспи описывает как добавление «дополнительного элемента в набор инструментов экспериментатора по квантовой оптике».
В повседневном мире, управляемом классической физикой, мы всегда можем найти способы определить, какой макроскопический объект является каким, даже если многие объекты внешне выглядят идентичными. Однако в квантовом мире частицы могут быть идентичны в глубоком смысле, объясняет Креспи, физик из Миланский политехнический университет, Италия. Это делает действительно невозможным отличить одну частицу от другой и приводит к волнообразному поведению, такому как интерференция.
Такое необычное поведение делает идентичные фотоны ключевым ресурсом в оптических квантовых технологиях. Например, в квантовых вычислениях они составляют основу кубитов или квантовых битов, используемых для выполнения вычислений. В квантовой связи они используются для отправки информации по крупномасштабным квантовым сетям.
Доказательство подлинной неразличимости
Чтобы проверить, неразличимы ли два фотона, исследователи обычно пропускают их через интерферометр, в котором два канала или волновода расположены так близко, что каждый из фотонов может пройти через любой из них. Если два фотона совершенно неразличимы, они всегда оказываются вместе в одном и том же волноводе. Однако этот метод нельзя использовать для больших наборов фотонов, потому что даже если бы он был повторен для всех возможных комбинаций двух фотонов, этого все равно было бы недостаточно для полной характеристики многофотонного набора. Вот почему «настоящую неразличимость» — параметр, количественно определяющий, насколько набор фотонов близок к этому идеальному, идентичному состоянию, — так трудно измерить для множества фотонов.
В новой работе исследователи из Милана и Римский университет «Ла Сапиенца» в Италии; Итальянский исследовательский совет; Центр нанонаук и нанотехнологий в Палезо, Франция; и компания по производству фотонных квантовых вычислений Квандела построил «тест на неразличимость» для четырех фотонов. Их система состояла из стеклянной пластины, на которой они запечатлели восемь волноводов, используя технику лазерной записи. Используя источник полупроводниковых квантовых точек, они многократно посылали фотоны в волноводы, затем фиксировали, какие из них были заняты фотоном.
Затем они использовали микронагреватель, чтобы нагреть один из волноводов, содержащих фотон. Повышение температуры изменило показатель преломления волновода, вызвав изменение оптической фазы фотона и заставив его перепрыгнуть в другой из семи волноводов благодаря эффектам интерференции.
Эксперимент показал, что амплитуда колебаний между волноводами может быть использована для определения истинного параметра неразличимости, который представляет собой число от 0 до 1 (где 1 соответствует совершенно идентичным фотонам). В своем эксперименте они рассчитали неразличимость 0.8.
"В случае n фотонов, концепция подлинной неразличимости наиболее достоверным образом определяет, насколько невозможно различить эти частицы, и это связано с тем, насколько выражены эффекты коллективной квантовой интерференции», — объясняет Креспи. «Наш метод измерения этой величины основан на новом типе интерферометра, предназначенного для получения на выходе необычных интерференционных эффектов, которые «перегоняют» коллективную подлинную неразличимость полного набора n фотонов относительно неразличимости частичных подмножеств».
Инструменты для квантовой оптики
Хотя этот метод может работать с более чем четырьмя фотонами, количество измерений, необходимых для наблюдения за изменениями неразличимости, увеличивается экспоненциально с количеством фотонов. Поэтому было бы нецелесообразно использовать 100 или более фотонов, что, вероятно, потребуется для будущего оптического компьютера. Тем не менее, Креспи говорит, что его можно использовать в экспериментах по квантовой оптике, в которых ученым необходимо знать, неразличимы ли фотоны или нет.
Интерференционная стена захватывает одиночные фотоны
«Подлинная неразличимость — важнейший параметр, который предоставляет информацию о качестве многофотонного источника и определяет, как эти n фотоны могут быть использованы в сложных информационных состояниях», — говорит он. Мир физики. «Для разработки надежных технологий, демонстрирующих количественные преимущества для обработки и передачи квантовой информации, важно не только разработать хорошие источники, но и разработать методы для характеристики и количественной оценки качества этих ресурсов».
Участник команды Сара Томас, который в настоящее время является постдоком в области квантовой оптики в Имперский Колледж Лондон, Великобритания, говорит, что этот метод можно использовать для количественной оценки того, насколько хороши состояния ресурсов для таких экспериментов, как выборка бозонов. «Такой инструмент характеристики будет полезен для понимания текущих ограничений в построении многофотонных состояний и их влияния на квантовую интерференцию, а следовательно, для потенциального поиска путей улучшения этих ресурсных состояний», — говорит она.
По словам исследователей, их инновационное устройство позволяет им напрямую наблюдать своеобразные интерференционные эффекты, которые могут открыть новые пути для фундаментальных исследований многочастичной квантовой интерференции, даже за пределами фотоники. «Мы могли бы изучить последствия этих эффектов в квантовой метрологии, то есть для расширенной оценки физических величин с помощью квантовых эффектов», — говорит Томас.
Настоящая работа подробно описана в Физический обзор X.
