โฟตอนที่แยกไม่ออกเป็นอย่างไร? อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์แบบออปติคอลใหม่ใส่ตัวเลขลงไป

ในตัวอย่างโฟตอนที่แยกไม่ออก พวกมันแยกไม่ออกได้อย่างไร? ขณะนี้ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติได้ตอบคำถามนี้ด้วยการวัดความสามารถในการแยกความแตกต่างของหลายโฟตอนที่แม่นยำเป็นครั้งแรก การใช้เครื่องวัดแสงแบบออพติคอลแบบนวัตกรรมตามท่อนำคลื่นที่เชื่อมต่อกันทีมแสดงให้เห็นว่าเป็นไปได้ที่จะตรวจสอบประสิทธิภาพของแหล่งโฟตอนเดี่ยวและการสร้างสถานะหลายโฟตอนในการทดลองควอนตัมออพติก-สมาชิกทีมผลสัมฤทธิ์ทางการเรียน อันเดรีย เครสปี้ อธิบายว่าเป็นการเพิ่ม "องค์ประกอบพิเศษในกล่องเครื่องมือของผู้ทดลองเลนส์ควอนตัม"

ในโลกประจำวันที่ควบคุมโดยฟิสิกส์คลาสสิกเราสามารถหาวิธีที่จะบอกได้เสมอว่าวัตถุขนาดใหญ่ที่เป็นอย่างไรแม้ว่าวัตถุจำนวนมากจะดูเหมือนผิวเผินเหมือนกัน อย่างไรก็ตามในโลกควอนตัมอนุภาคสามารถเหมือนกันในแง่ที่ลึกซึ้งอธิบาย Crespi นักฟิสิกส์ที่ มหาวิทยาลัยโพลีเทคนิคแห่งมิลาน ประเทศอิตาลี. สิ่งนี้ทำให้ไม่สามารถแยกความแตกต่างของอนุภาคหนึ่งออกจากอีกอนุภาคหนึ่งได้อย่างแท้จริง และนำไปสู่พฤติกรรมคล้ายคลื่น เช่น การรบกวน

พฤติกรรมที่ผิดปกติเหล่านี้ทำให้โฟตอนที่เหมือนกันเป็นทรัพยากรที่สำคัญในเทคโนโลยีควอนตัมออปติคัล ตัวอย่างเช่นในการคำนวณควอนตัมพวกเขาเป็นพื้นฐานของ qubits หรือควอนตัมบิตใช้ในการคำนวณ ในการสื่อสารควอนตัมพวกเขาจะใช้เพื่อส่งข้อมูลผ่านเครือข่ายควอนตัมขนาดใหญ่

พิสูจน์การแยกแยะไม่ออกอย่างแท้จริง

ในการตรวจสอบว่าโฟตอนสองตัวแยกไม่ออกนักวิจัยมักจะส่งพวกเขาผ่านเครื่องวัดระยะทางที่สองช่องทางหรือท่อนำคลื่นอยู่ใกล้จนโฟตอนแต่ละอันสามารถผ่านทั้งสองช่องได้ หากโฟตอนทั้งสองไม่สามารถแยกไม่ได้อย่างสมบูรณ์พวกเขามักจะอยู่ด้วยกันในท่อนำคลื่นเดียวกัน อย่างไรก็ตามเทคนิคนี้ไม่สามารถใช้สำหรับชุดโฟตอนที่มีขนาดใหญ่ขึ้นได้เนื่องจากแม้ว่าจะถูกทำซ้ำสำหรับชุดค่าผสมสองโฟตอนที่เป็นไปได้ทั้งหมด แต่ก็ยังไม่เพียงพอที่จะจำแนกลักษณะชุดหลายโฟตอนอย่างเต็มที่ นี่คือเหตุผลว่าทำไม "ความไม่สามารถแยกแยะได้ของแท้" - พารามิเตอร์ที่วัดปริมาณโฟตอนที่ใกล้เคียงกับสถานะในอุดมคติและเหมือนกันนี้ - ยากที่จะวัดสำหรับโฟตอนหลายตัว

ในงานวิจัยชิ้นใหม่นี้ นักวิจัยจากเมืองมิลานและ มหาวิทยาลัยโรม “La Sapienza” ในอิตาลี; สภาวิจัยอิตาลี; ศูนย์นาโนศาสตร์และนาโนเทคโนโลยี ณ ปาเลโซ ประเทศฝรั่งเศส; และบริษัทโทนิคควอนตัมคอมพิวติ้ง ควอนเดลา สร้าง“ การทดสอบที่แยกไม่ออก” สำหรับโฟตอนสี่ตัว ระบบของพวกเขาประกอบด้วยแผ่นกระจกที่พวกเขามีท่อนำคลื่นแปดตัวโดยใช้เทคนิคการเขียนด้วยเลเซอร์ ใช้แหล่งควอนตัม DOT เซมิคอนดักเตอร์พวกเขาส่งโฟตอนซ้ำ ๆ ไปยังท่อนำคลื่นจากนั้นบันทึกว่าอันไหนที่ถูกครอบครองด้วยโฟตอน

ถัดไปพวกเขาใช้ไมโครฮีตเตอร์เพื่ออุ่นเครื่องหนึ่งในท่อนำคลื่นที่มีโฟตอน การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิเปลี่ยนดัชนีการหักเหของท่อนำคลื่นทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในเฟสออปติคัลของโฟตอนและทำให้มันกระโดดไปยังอีกหนึ่งในเจ็ดของท่อนำคลื่นด้วยเอฟเฟกต์การรบกวน

การทดลองแสดงให้เห็นว่าแอมพลิจูดของการแกว่งระหว่างท่อนำคลื่นสามารถใช้เพื่อกำหนดพารามิเตอร์ที่แยกไม่ออกของแท้ซึ่งเป็นตัวเลขระหว่าง 0 ถึง 1 (ด้วย 1 ที่สอดคล้องกับโฟตอนที่เหมือนกันอย่างสมบูรณ์) ในการทดลองของพวกเขาพวกเขาคำนวณความแตกต่างที่ 0.8

"ในกรณีของ n โฟตอนแนวคิดของการแยกความแตกต่างของแท้ปริมาณในวิธีที่แท้จริงที่สุดว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะแยกแยะอนุภาคเหล่านี้และเกี่ยวข้องกับการเด่นชัดของเอฟเฟกต์การรบกวนควอนตัมโดยรวม” Crespi อธิบาย “ เทคนิคของเราในการวัดปริมาณนี้ขึ้นอยู่กับ interferometer ชนิดใหม่ที่ออกแบบมาเพื่อให้ผลกระทบการรบกวนที่ผิดปกติซึ่ง 'กลั่นกรอง' ความสามารถที่แยกไม่ได้ของแท้ของชุดเต็มรูปแบบของชุดเต็มรูปแบบของชุดเต็ม n โฟตอนที่เกี่ยวกับการแยกไม่ออกของชุดย่อยบางส่วน”

เครื่องมือสำหรับเลนส์ควอนตัม

แม้ว่าเทคนิคนี้สามารถทำงานได้กับโฟตอนมากกว่าสี่ตัว แต่จำนวนการวัดที่จำเป็นในการสังเกตความผันแปรของความสามารถในการแยกแยะไม่ออกจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณตามจำนวนโฟตอน ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้งานได้จริงสำหรับ 100 โฟตอนหรือมากกว่าซึ่งเป็นจำนวนที่เป็นไปได้สำหรับคอมพิวเตอร์ออพติคอลในอนาคต Crespi กล่าวว่าสามารถใช้ในการทดลองควอนตัมออปติกซึ่งนักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องรู้ว่าโฟตอนนั้นแยกไม่ออกหรือไม่

“ ความไม่สามารถแยกออกได้ของแท้เป็นพารามิเตอร์สำคัญที่ให้ข้อมูลเกี่ยวกับคุณภาพของแหล่งที่มาหลายโฟตอนและกำหนดวิธีการเหล่านี้ n โฟตอนสามารถใช้สถานะข้อมูลที่ซับซ้อนได้” เขาบอก โลกฟิสิกส์. “ เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีที่เชื่อถือได้ซึ่งแสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบเชิงปริมาณสำหรับกระบวนการข้อมูลควอนตัมและการถ่ายโอนมันเป็นสิ่งสำคัญไม่เพียง แต่ในการพัฒนาแหล่งที่ดี แต่ยังเพื่อพัฒนาวิธีการที่จะกำหนดลักษณะและหาปริมาณคุณภาพของทรัพยากรเหล่านี้”

สมาชิกในทีม ซาร่าห์โทมัสซึ่งตอนนี้เป็น postdoc ในควอนตัมออปติกที่ Imperial College London, สหราชอาณาจักรกล่าวว่าวิธีนี้สามารถใช้เพื่อวัดปริมาณสถานะทรัพยากรที่ดีสำหรับการทดลอง เช่น การสุ่มตัวอย่างโบซอน “ เครื่องมือการจำแนกลักษณะดังกล่าวจะมีประโยชน์ในการทำความเข้าใจข้อ จำกัด ในปัจจุบันในการสร้างสถานะหลายโฟตอนและความหมายที่มีต่อการรบกวนควอนตัมและอาจค้นหาเส้นทางไปสู่การปรับปรุงสถานะทรัพยากรเหล่านี้” เธอกล่าว

ตามที่นักวิจัยอุปกรณ์นวัตกรรมของพวกเขาช่วยให้พวกเขาสามารถสังเกตเห็นผลกระทบการรบกวนที่แปลกประหลาดโดยตรงซึ่งอาจเปิดเส้นทางใหม่ไปสู่การวิจัยขั้นพื้นฐานเกี่ยวกับการรบกวนควอนตัมหลายอนุภาคแม้เกินกว่าโฟโตนิก “เราสามารถสำรวจความหมายของผลกระทบเหล่านี้ได้ในมาตรวิทยาควอนตัม นั่นคือ สำหรับการประมาณค่าที่เพิ่มขึ้นของปริมาณทางกายภาพโดยวิธีการของผลกระทบที่เปิดใช้งานควอนตัม” โทมัสเผย

ผลงานปัจจุบันมีรายละเอียดใน การทบทวนทางกายภาพ X.