Ponovno oživljeno zapletanje fotonov bi lahko izboljšalo kvantno komunikacijo in slikanje

Ponovno oživljeno zapletanje fotonov bi lahko izboljšalo kvantno komunikacijo in slikanje   

Časovni žig: 8. januar 2023 10

Ilustracija oživitve zapletov
Izguba in oživitev: umetniška ilustracija prepletenosti kotnega položaja, ki so jo izmerili Anand Jha in sodelavci. (Z dovoljenjem: Anand Jha)

Raziskovalci v Indiji so pokazali, da se zapletanje fotonov v določeno zvezno spremenljivo osnovo oživi, ​​ko se fotoni širijo stran od svojega vira. Odkritje bi se lahko izkazalo za uporabno za varen prenos kvantnih informacij na velike razdalje in za kvantno slikanje v turbulentnih medijih.

Fiziki obširno raziskujejo kvantno prepletenost med fotoni, pogosto z namenom razvoja novih kvantnih tehnologij za računalništvo, komunikacijo, zaznavanje in slikanje. Nekatere potencialne aplikacije zahtevajo pošiljanje zapletenih fotonov na velike razdalje ali skozi turbulentna okolja brez izgub. Vendar pa je trenutno zelo težavno ohraniti nekatere vrste prepletenosti v teh okoliščinah - in uspeh je lahko odvisen od številnih dejavnikov, vključno s tem, kako so kvantne informacije kodirane v fotonih.

zdaj Anand Jha in sodelavci na Laboratorij za kvantno optiko in prepletenost na indijskem tehnološkem inštitutu Kanpur so zagotovili možno rešitev z uporabo kotnih položajev fotonov za kodiranje informacij. Opazili so, da se zdi, da prepletenost izgine, ko se fotoni širijo, potem pa se nenavadno znova pojavi. Pokazali so tudi, da se oživitev zapletov zgodi tudi po tem, ko fotoni potujejo skozi turbulentni zrak, kar bi običajno uničilo zaplet. Svoje raziskave opisujejo v Znanost Predplačila.

Zapletanje fotonov

Fotoni imajo veliko različnih stopenj svobode, ki jih je mogoče uporabiti za kodiranje kvantnih informacij. Izbira je odvisna od vrste informacij, ki jih je treba kodirati. Za kubite je mogoče uporabiti diskretne lastnosti, kot sta polarizacija ali orbitalni kotni moment fotona. Toda včasih je, zlasti za namene zaznavanja in slikanja, bolje kodirati kvantne informacije na bolj zvezen način. V takšnih aplikacijah je najbolj raziskana zapletena lastnost – ali »osnova« – položaj fotona, ki ga podajajo njegove kartezične koordinate.

The phenomenon of quantum entanglement imparts to particles a closer relationship than is allowed by classical physics and is independent of which particular basis is used to encode quantum information. However, the way entanglement is used or measured in an experiment may not be basis-independent. This applies to an entanglement “witness”, which is a mathematical quantity that determines whether a system is entangled. Witnesses are basis-dependent for continuous bases and this dependence means that some types of continuous entanglement can be more useful than others.

For the position-momentum basis, the entanglement, as seen through the witness, dies out very quickly as the photons propagate away from their source. To get around this, scientists usually image the source itself to use entanglement between photons. Any turbulence in the path also rapidly destroys the entanglement, requiring complex solutions like adaptive optics to revive it. These additional corrective steps limit the utility of these entangled photons.

Ta najnovejša raziskava Jha in sodelavcev raziskuje, kako je mogoče ohraniti prepletenost z uporabo tesno povezane alternativne osnove – kotnega položaja fotona.

Generating, losing and reviving entanglement

V svojem poskusu so raziskovalci ustvarili zapletene fotone s pošiljanjem svetlobe iz visokozmogljivega laserja "črpalke" v nelinearni kristal. V pogojih, ko se energije in momenti fotonov ohranijo, bo en foton črpalke proizvedel dva zapletena fotona v procesu, imenovanem spontana parametrična pretvorba navzdol (SPDC). Fotona sta prepletena v vseh svojih lastnostih. Če je foton zaznan na eni lokaciji, se na primer samodejno določi položaj drugega zapletenega fotona. Korelacija obstaja tudi za druge količine, kot so zagon, kotni položaj in orbitalni kotni zagon.

Kot je razvidno iz priče brez kakršnih koli korektivnih ukrepov, so raziskovalci opazili, da zapletenost položaja med fotoni izgine po približno 4 cm širjenja. Po drugi strani pa se zgodi nekaj zanimivega za zapletanje kotnega položaja. Po približno 5 cm širjenja izgine, ko pa fotoni prepotujejo nadaljnjih 20 cm, se spet pojavi zaplet (glej sliko). Raziskovalci so svoje eksperimentalne rezultate kvalitativno potrdili z numeričnim modelom.

Enak trend so opazili, ko je ekipa ustvarila turbulentno okolje na poti zapletenih fotonov. To je bilo narejeno z uporabo grelnika s pihanjem, da se zrak premeša in spremeni njegov lomni količnik. V tem primeru je preplet ponovno oživel, ko se je svetloba razširila na daljšo razdaljo približno 45 cm.

Ni še popolnoma znano, kaj povzroča, da se zapletenost v osnovi kotnega položaja ponovno pojavi. Osnova je posebna, ker se ovije po polnem krogu. To je eden od njegovih razlikovalnih dejavnikov, pravi Jha.

Čeprav študija dokazuje robustnost na razdaljah, krajših od enega metra, Jha in sodelavci trdijo, da je oživitev možna tudi na kilometrskih razdaljah. To bi lahko omogočilo prenos kvantnih informacij skozi atmosfersko turbulenco brez uničenja prepletenosti. Robustnost skozi turbulenco bi lahko omogočila tudi kvantno slikanje predmetov v mehkih biokemičnih okoljih z minimalno invazijo ali uničenjem.

Časovni žig:

Več od Svet fizike