Bir ayırt edilemez foton örneğinde, bunlar ne kadar ayırt edilemez? Uluslararası bir bilim adamları ekibi, çoklu foton ayırt edilemezliğinin ilk hassas ölçümünü yaparak bu soruyu yanıtladı. Ekip, birbirine bağlı dalga kılavuzlarına dayalı yenilikçi bir optik interferometre türü kullanarak, kuantum optik deneylerinde hem tek foton kaynaklarının performansını hem de çoklu foton durumlarının oluşumunu kontrol etmenin mümkün olduğunu gösterdi - bir başarı ekibi üyesi Andrea Crespi "kuantum optiği deneycisinin araç kutusuna fazladan bir öğe" eklemek olarak tanımlıyor.
Klasik fizik tarafından yönetilen gündelik dünyada, birçok nesne yüzeysel olarak aynı görünse bile, hangi makroskopik nesnenin hangisi olduğunu söylemenin yollarını her zaman bulabiliriz. Bir fizikçi olan Crespi, kuantum dünyasında, parçacıklar derin bir anlamda aynı olabilir, diye açıklıyor. Milano Politeknik Üniversitesi, İtalya. Bu, bir parçacığı diğerinden ayırmayı gerçekten imkansız hale getirir ve girişim gibi dalga benzeri davranışlara yol açar.
Bu alışılmadık davranışlar, özdeş fotonları optik kuantum teknolojilerinde önemli bir kaynak haline getiriyor. Örneğin, kuantum hesaplamada, hesaplamaları gerçekleştirmek için kullanılan kübitlerin veya kuantum bitlerinin temelini oluştururlar. Kuantum iletişiminde, büyük ölçekli kuantum ağları üzerinden bilgi göndermek için kullanılırlar.
Gerçek ayırt edilemezliği kanıtlamak
İki fotonun ayırt edilemez olup olmadığını kontrol etmek için, araştırmacılar onları genellikle iki kanalın veya dalga kılavuzunun o kadar yakın olduğu ve her bir fotonun içinden geçebileceği bir interferometre aracılığıyla gönderir. İki foton mükemmel bir şekilde ayırt edilemezse, her zaman aynı dalga kılavuzunda bir araya gelirler. Bununla birlikte, bu teknik daha büyük foton kümeleri için kullanılamaz, çünkü olası tüm iki foton kombinasyonları için tekrarlansa bile, çoklu foton kümesini tam olarak karakterize etmek için yine de yeterli olmayacaktır. Bir foton kümesinin bu ideal, özdeş duruma ne kadar yakın olduğunu ölçen bir parametre olan "gerçek ayırt edilemezlik"in birden fazla foton için ölçülmesinin bu kadar zor olmasının nedeni budur.
Yeni çalışmada, Milano'dan araştırmacılar ve İtalya'daki Roma Üniversitesi “La Sapienza”; İtalyan Araştırma Konseyi; Palaiseau, Fransa'daki Nanobilimler ve Nanoteknoloji Merkezi; ve fotonik kuantum hesaplama firması kandela dört foton için bir "ayırt edilemezlik testi" oluşturdu. Sistemleri, bir lazer yazma tekniği kullanarak sekiz dalga kılavuzunu bastıkları bir cam levhadan oluşuyordu. Bir yarı iletken kuantum nokta kaynağı kullanarak, fotonları tekrar tekrar dalga kılavuzlarına gönderdiler ve ardından hangilerinin bir fotonla dolu olduğunu kaydettiler.
Daha sonra, bir foton içeren dalga kılavuzlarından birini ısıtmak için bir mikro ısıtıcı kullandılar. Sıcaklıktaki artış, dalga kılavuzunun kırılma indeksini değiştirerek, fotonun optik fazında bir değişikliğe neden oldu ve girişim etkileri sayesinde yedi dalga kılavuzundan birine sıçramasına neden oldu.
Deney, dalga kılavuzları arasındaki salınımların genliğinin, 0 ile 1 arasında bir sayı olan (1 tamamen aynı fotonlara karşılık gelir) gerçek ayırt edilemezlik parametresini belirlemek için kullanılabileceğini gösterdi. Deneylerinde, ayırt edilemezliği 0.8 olarak hesapladılar.
"Bu durumuda n Fotonlar, gerçek ayırt edilemezlik kavramı, bu parçacıkları ayırt etmenin ne kadar imkansız olduğunu en özgün şekilde niceliyor ve kolektif kuantum girişim etkilerinin ne kadar belirgin olduğuyla ilgili," diye açıklıyor Crespi. "Bu miktarı ölçme tekniğimiz, çıktısında, tam setin kollektif gerçek ayırt edilemezliğini 'damıtan' olağandışı girişim etkileri vermek üzere tasarlanmış yeni bir tür interferometreye dayanmaktadır. n kısmi alt kümelerin ayırt edilemezliğine göre fotonlar.
Kuantum optiği için araçlar
Teknik, dörtten fazla fotonla çalışabilse de, ayırt edilemezlik varyasyonlarını gözlemlemek için gereken ölçüm sayısı, foton sayısıyla birlikte üstel olarak artar. Bu nedenle, gelecekteki bir optik bilgisayar için gereken muhtemel sayı olan 100 veya daha fazla foton için pratik olmayacaktır. Bununla birlikte Crespi, bilim adamlarının fotonların ayırt edilemez olup olmadığını bilmesi gereken kuantum optik deneylerinde kullanılabileceğini söylüyor.
Girişim duvarı tek fotonları yakalar
"Gerçek ayırt edilemezlik, çoklu foton kaynağının kalitesi hakkında bilgi sağlayan ve bunların nasıl olduğunu belirleyen çok önemli bir parametredir. n fotonlar karmaşık bilgi durumlarında kullanılabilir” diyor. Fizik dünyası. "Kuantum bilgi süreci ve aktarımı için nicel avantajlar gösteren güvenilir teknolojiler geliştirmek için, yalnızca iyi kaynaklar geliştirmek değil, aynı zamanda bu kaynakların kalitesini karakterize etmek ve ölçmek için yöntemler geliştirmek de önemlidir."
Takım üyelerinin sarah thomasşu anda kuantum optiğinde postdoc olan Imperial College Londra, İngiltere, yöntemin, Boson örneklemesi gibi deneyler için kaynak durumlarının ne kadar iyi olduğunu ölçmek için kullanılabileceğini söylüyor. "Böyle bir karakterizasyon aracı, çoklu foton durumları oluşturmadaki mevcut sınırlamaları ve bunun kuantum girişimi üzerindeki etkisini anlamada ve dolayısıyla potansiyel olarak bu kaynak durumlarını iyileştirmeye yönelik yollar bulmada yararlı olacaktır" diyor.
Araştırmacılara göre, yenilikçi cihazları, fotoniğin ötesinde bile çok parçacıklı kuantum girişimi üzerine temel araştırmalara yeni yollar açabilecek özel girişim etkilerini doğrudan gözlemlemelerine olanak tanıyor. Thomas, "Bu etkilerin sonuçlarını kuantum metrolojisinde, yani kuantum özellikli etkiler yoluyla fiziksel niceliklerin gelişmiş tahmininde keşfedebiliriz," diye açıklıyor Thomas.
Mevcut çalışma ayrıntılı olarak Fiziksel İnceleme X.
