Hur omöjliga är de i ett urval av fotoner som inte kan särskiljas? Ett internationellt team av forskare har nu besvarat denna fråga genom att göra den första exakta mätningen av omöjligheten att urskilja flera fotoner. Med hjälp av en innovativ typ av optisk interferometer baserad på sammankopplade vågledare visade teamet att det är möjligt att kontrollera både prestandan hos enfotonkällor och genereringen av multifotontillstånd i kvantoptikexperiment – en teammedlem i prestation. Andrea Crespi beskriver som att lägga till "ett extra element till kvantoptikexperimenterarens verktygslådan".
I den vardagliga värld som styrs av klassisk fysik kan vi alltid hitta sätt att avgöra vilket makroskopiskt objekt som är vilket, även om många objekt ser ytligt identiska ut. I kvantvärlden kan dock partiklar vara identiska i en djupgående mening, förklarar Crespi, fysiker vid Polytekniska universitetet i Milano, Italien. Detta gör det verkligen omöjligt att skilja en partikel från den andra och leder till vågliknande beteenden som störningar.
Dessa ovanliga beteenden gör identiska fotoner till en nyckelresurs i optisk kvantteknologi. Inom kvantberäkning, till exempel, utgör de grunden för de kvantbitar, eller kvantbitar, som används för att utföra beräkningar. Inom kvantkommunikation används de för att skicka information över storskaliga kvantnätverk.
Att bevisa äkta omöjlighet att urskilja
För att kontrollera om två fotoner inte går att särskilja, skickar forskare dem vanligtvis genom en interferometer där två kanaler, eller vågledare, är så nära att var och en av fotonerna kan passera genom någon av dem. Om de två fotonerna är helt omöjliga att särskilja hamnar de alltid tillsammans i samma vågledare. Denna teknik kan dock inte användas för större uppsättningar fotoner, för även om den upprepades för alla möjliga tvåfotonkombinationer, skulle den fortfarande inte räcka för att helt karakterisera multifotonuppsättningen. Det är därför det är så svårt att mäta "äkta omöjlighet att särskilja" – en parameter som kvantifierar hur nära en uppsättning fotoner är detta ideala, identiska tillstånd – för flera fotoner.
I det nya arbetet, forskare från Milano och Universitetet i Rom "La Sapienza" i Italien; Den italienska forskningsrådet; Den Centrum för nanovetenskap och nanoteknik i Palaiseau, Frankrike; och det fotoniska kvantberäkningsföretaget Quandela konstruerade ett "oserskiljbarhetstest" för fyra fotoner. Deras system bestod av en glasplatta i vilken de hade tryckt in åtta vågledare med hjälp av en laserskrivteknik. Med hjälp av en halvledarkvantpunktskälla skickade de upprepade gånger fotonerna in i vågledarna och registrerade sedan vilka som var upptagna av en foton.
Därefter använde de en mikrovärmare för att värma upp en av vågledarna som innehöll en foton. Ökningen i temperatur förändrade vågledarens brytningsindex, vilket inducerade en förändring i fotonens optiska fas och fick den att hoppa till en annan av sju vågledare tack vare interferenseffekter.
Experimentet visade att amplituden för svängningarna mellan vågledarna kunde användas för att bestämma den äkta oskiljbarhetsparametern, som är ett tal mellan 0 och 1 (med 1 som motsvarar helt identiska fotoner). I sitt experiment beräknade de en oskiljbarhet på 0.8.
”I fallet med n fotoner, begreppet äkta omöjlighet att särskilja kvantifierar på det mest autentiska sätt hur omöjligt det är att särskilja dessa partiklar och det är relaterat till hur uttalade de kollektiva kvantinterferenseffekterna är”, förklarar Crespi. "Vår teknik för att mäta denna kvantitet är baserad på en ny typ av interferometer utformad för att ge, vid dess utdata, ovanliga interferenseffekter som "destillerar" den kollektiva äkta omöjligheten att urskilja hela uppsättningen av n fotoner med avseende på omöjligheten att särskilja partiella delmängder."
Verktyg för kvantoptik
Medan tekniken skulle kunna fungera med mer än fyra fotoner, ökar antalet mätningar som krävs för att observera variationer för omöjlighet att skiljas exponentiellt med antalet fotoner. Det skulle därför inte vara praktiskt för 100 fotoner eller fler, vilket är det troliga antal som krävs för en framtida optisk dator. Som sagt, Crespi säger att det kan användas i kvantoptikexperiment där forskare behöver veta om fotoner är omöjliga att särskilja eller inte.
Interferensvägg fångar enstaka fotoner
"Den äkta omöjligheten att urskilja är en avgörande parameter som ger information om kvaliteten på en multifotonkälla och bestämmer hur dessa n fotoner kan användas komplexa informationstillstånd, säger han Fysikvärlden. "För att utveckla tillförlitlig teknik som visar kvantitativa fördelar för kvantinformationsprocess och -överföring är det viktigt att inte bara utveckla bra källor utan också att utveckla metoder för att karakterisera och kvantifiera kvaliteten på dessa resurser."
Teammedlem Sarah Thomas, som nu är postdoc i kvantoptik vid Imperial College London, Storbritannien, säger att metoden kan användas för att kvantifiera hur bra resurstillstånd är för experiment som Bosonsampling. "Ett sådant karaktäriseringsverktyg kommer att vara användbart för att förstå de nuvarande begränsningarna i att bygga multifotontillstånd och implikationen detta har på kvantinterferens, och därför potentiellt hitta vägar för att förbättra dessa resurstillstånd", säger hon.
Enligt forskarna tillåter deras innovativa enhet dem att direkt observera märkliga interferenseffekter som kan öppna nya vägar till grundläggande forskning om multi-partikel kvantinterferens, även bortom fotonik. "Vi skulle kunna utforska konsekvenserna av dessa effekter i kvantmetrologi - det vill säga för den förbättrade uppskattningen av fysiska kvantiteter med hjälp av kvantaktiverade effekter," avslöjar Thomas.
Det aktuella arbetet är detaljerat i Fysisk granskning X.
