Kako nerazločljivi so v vzorcu nerazločljivih fotonov? Mednarodna skupina znanstvenikov je zdaj odgovorila na to vprašanje s prvo natančno meritvijo večfotonske neločljivosti. Z uporabo inovativnega tipa optičnega interferometra, ki temelji na medsebojno povezanih valovodih, je ekipa pokazala, da je mogoče preveriti delovanje enofotonskih virov in generiranje večfotonskih stanj v eksperimentih s kvantno optiko – član skupine za dosežke Andrea Crespi opisuje kot dodajanje "dodatnega elementa v orodje eksperimentatorja kvantne optike".
V vsakdanjem svetu, ki ga ureja klasična fizika, lahko vedno najdemo načine, kako ugotoviti, kateri makroskopski predmet je kateri, tudi če je veliko predmetov na videz videti enakih. V kvantnem svetu pa so delci lahko enaki v globokem smislu, pojasnjuje Crespi, fizik iz Politehnična univerza v Milanu, Italija. Zaradi tega je resnično nemogoče razlikovati enega delca od drugega in vodi do valovanja podobnega vedenja, kot je interferenca.
Zaradi tega nenavadnega vedenja so enaki fotoni ključni vir v optičnih kvantnih tehnologijah. V kvantnem računalništvu na primer tvorijo osnovo kubitov ali kvantnih bitov, ki se uporabljajo za izvajanje izračunov. V kvantni komunikaciji se uporabljajo za pošiljanje informacij prek obsežnih kvantnih omrežij.
Dokaz resnične nerazločljivosti
Da bi preverili, ali se dva fotona ne razlikujeta, ju raziskovalci običajno pošljejo skozi interferometer, v katerem sta dva kanala ali valovoda tako blizu, da lahko vsak od fotonov preide skozi katerega koli od njih. Če se fotona popolnoma ne razlikujeta, končata vedno skupaj v istem valovodu. Vendar te tehnike ni mogoče uporabiti za večje nize fotonov, ker tudi če bi jo ponovili za vse možne dvofotonske kombinacije, še vedno ne bi bilo dovolj za popolno karakterizacijo večfotonskega niza. Zato je "pristno nerazločnost" – parameter, ki kvantificira, kako blizu je nabor fotonov temu idealnemu, identičnemu stanju – tako težko izmeriti za več fotonov.
V novem delu so raziskovalci iz Milana in Univerza v Rimu "La Sapienza" v Italiji; Italijanski raziskovalni svet; Center za nanoznanosti in nanotehnologijo v Palaiseauju v Franciji; in podjetje za fotonsko kvantno računalništvo Quandela izdelal "test nerazločljivosti" za štiri fotone. Njihov sistem je sestavljala steklena plošča, v katero so s tehniko laserskega pisanja vtisnili osem valovodov. Z uporabo polprevodniškega vira kvantnih pik so večkrat pošiljali fotone v valovode, nato pa zabeležili, kateri so bili zasedeni s fotonom.
Nato so uporabili mikrogrelnik za segrevanje enega od valovodov, ki je vseboval foton. Povišanje temperature je spremenilo lomni količnik valovoda, kar je povzročilo spremembo optične faze fotona in povzročilo, da je zaradi interferenčnih učinkov preskočil na drugega od sedmih valovodov.
Eksperiment je pokazal, da se lahko amplituda nihanj med valovodoma uporabi za določitev pristnega parametra nerazločljivosti, ki je število med 0 in 1 (pri čemer 1 ustreza popolnoma enakim fotonom). V svojem poskusu so izračunali neločljivost 0.8.
"V primeru n fotonov koncept pristne nerazločljivosti kvantificira na najbolj pristen način, kako nemogoče je razlikovati te delce, in je povezan s tem, kako izraziti so kolektivni učinki kvantne interference,« pojasnjuje Crespi. »Naša tehnika za merjenje te količine temelji na novi vrsti interferometra, ki je zasnovan tako, da daje na izhodu nenavadne interferenčne učinke, ki 'destilirajo' skupno resnično nerazločnost celotnega nabora n fotonov glede na nerazločnost delnih podmnožic."
Orodja za kvantno optiko
Čeprav bi tehnika lahko delovala z več kot štirimi fotoni, se število meritev, potrebnih za opazovanje variacij za nerazločnost, eksponentno povečuje s številom fotonov. Zato ne bi bilo praktično za 100 fotonov ali več, kar je verjetno število, potrebno za prihodnji optični računalnik. Kljub temu Crespi pravi, da bi ga lahko uporabili v poskusih kvantne optike, v katerih morajo znanstveniki vedeti, ali so fotoni nerazločljivi ali ne.
Interferenčni zid zajame posamezne fotone
»Prava nerazločljivost je ključni parameter, ki zagotavlja informacije o kakovosti večfotonskega vira in določa, kako ti n fotone bi lahko uporabili zapletena informacijska stanja,« pravi Svet fizike. "Za razvoj zanesljivih tehnologij, ki dokazujejo kvantitativne prednosti za proces in prenos kvantnih informacij, je ključnega pomena ne samo razviti dobre vire, ampak tudi razviti metode za karakterizacijo in kvantificiranje kakovosti teh virov."
Član ekipe Sarah Thomas, ki je zdaj podoktorski študij kvantne optike na Imperial College London, Velika Britanija, pravi, da bi metodo lahko uporabili za količinsko opredelitev, kako dobra so stanja virov za eksperimente, kot je vzorčenje bozonov. "Takšno karakterizacijsko orodje bo koristno pri razumevanju trenutnih omejitev pri gradnji večfotonskih stanj in posledic, ki jih ima to na kvantno interferenco, in s tem morebitnega iskanja poti za izboljšanje teh stanj virov," pravi.
Po besedah raziskovalcev jim njihova inovativna naprava omogoča neposredno opazovanje nenavadnih interferenčnih učinkov, ki lahko odprejo nove poti temeljnim raziskavam večdelčne kvantne interference, celo onkraj fotonike. "Lahko bi raziskali posledice teh učinkov v kvantnem meroslovju - to je za izboljšano oceno fizikalnih količin s pomočjo kvantno omogočenih učinkov," razkriva Thomas.
To delo je podrobno opisano v Fizični pregled X.
