У зразку нерозрізнених фотонів, наскільки вони нерозрізнені? Міжнародна група вчених тепер відповіла на це питання, зробивши перше точне вимірювання багатофотонної нерозрізнення. Використовуючи інноваційний тип оптичного інтерферометра на основі взаємопов’язаних хвилеводів, команда показала, що можна перевірити як ефективність однофотонних джерел, так і генерацію багатофотонних станів у квантових оптичних експериментах – член команди досягнення Андреа Креспі описує як додавання «додаткового елемента до інструментарію експериментатора квантової оптики».
У повсякденному світі, керованому класичною фізикою, ми завжди можемо знайти способи визначити, який макроскопічний об’єкт є яким, навіть якщо багато об’єктів виглядають на перший погляд ідентичними. Однак у квантовому світі частинки можуть бути ідентичними в глибокому сенсі, пояснює Креспі, фізик з Міланський політехнічний університет, Італія. Це робить справді неможливим відрізнити одну частинку від іншої та призводить до хвилеподібної поведінки, такої як інтерференція.
Ця незвичайна поведінка робить ідентичні фотони ключовим ресурсом оптичних квантових технологій. Наприклад, у квантових обчисленнях вони складають основу кубітів або квантових бітів, які використовуються для виконання обчислень. У квантовій комунікації вони використовуються для передачі інформації через великомасштабні квантові мережі.
Доведення справжньої нерозрізнення
Щоб перевірити, чи є два фотони нерозрізненими, дослідники зазвичай пропускають їх через інтерферометр, у якому два канали або хвилеводи настільки близькі, що кожен із фотонів може пройти через будь-який із них. Якщо два фотони абсолютно нерозрізнені, вони завжди потрапляють разом в один хвилевід. Однак цей метод не можна використовувати для більших наборів фотонів, оскільки навіть якщо його повторити для всіх можливих двофотонних комбінацій, цього все одно буде недостатньо для повної характеристики багатофотонного набору. Ось чому «справжню нерозрізнення» — параметр, який кількісно визначає, наскільки близько набір фотонів до цього ідеального ідентичного стану — так важко виміряти для кількох фотонів.
У новій роботі дослідники з Мілана та Римський університет «La Sapienza» в Італії; Італійська дослідницька рада; Центр нанонаук і нанотехнологій у Палезо, Франція; і фірма фотонних квантових обчислень Квандела побудував «тест на нерозрізнення» для чотирьох фотонів. Їхня система складалася зі скляної плити, в яку вони вдрукували вісім хвилеводів за допомогою техніки лазерного запису. Використовуючи напівпровідникове джерело квантових точок, вони кілька разів посилали фотони у хвилеводи, а потім записували, які з них були зайняті фотоном.
Потім вони використовували мікронагрівач, щоб нагріти один із хвилеводів, у якому містився фотон. Підвищення температури змінило показник заломлення хвилеводу, викликавши зміну оптичної фази фотона та змусивши його перейти на інший із семи хвилеводів завдяки ефектам інтерференції.
Експеримент показав, що амплітуду коливань між хвилеводами можна використовувати для визначення справжнього параметра нерозрізнення, який є числом від 0 до 1 (де 1 відповідає абсолютно ідентичним фотонам). У своєму експерименті вони розрахували нерозрізнення 0.8.
"У випадку n фотонів, концепція справжньої нерозрізненості найбільш автентичним чином кількісно визначає, наскільки неможливо розрізнити ці частинки, і це пов’язано з тим, наскільки вираженими є колективні ефекти квантової інтерференції», – пояснює Креспі. «Наша методика вимірювання цієї величини базується на новому типі інтерферометра, розробленому для створення на виході незвичайних інтерференційних ефектів, які «дистилюють» колективну справжню нерозрізненість повного набору n фотонів щодо нерозрізнення часткових підмножин».
Інструменти для квантової оптики
Хоча ця техніка може працювати з більш ніж чотирма фотонами, кількість вимірювань, необхідних для спостереження за варіаціями нерозрізнення, експоненціально зростає з кількістю фотонів. Тому це було б непрактично для 100 фотонів або більше, що є ймовірною кількістю, необхідною для майбутнього оптичного комп’ютера. При цьому Креспі каже, що його можна використовувати в експериментах з квантовою оптикою, в яких вчені повинні знати, чи фотони нерозрізнені чи ні.
Інтерференційна стіна захоплює окремі фотони
«Справжня нерозрізнення є важливим параметром, який надає інформацію про якість багатофотонного джерела та визначає, як вони n фотони можуть бути використані для складних інформаційних станів», — розповідає він Світ фізики. «Для розробки надійних технологій, які демонструють кількісні переваги для обробки та передачі квантової інформації, важливо не лише розробити хороші джерела, але й розробити методи для характеристики та кількісної оцінки якості цих ресурсів».
Член команди Сара Томас, який зараз є доктором квантової оптики в Імперський коледж Лондона, Великобританія, каже, що цей метод можна використовувати для кількісного визначення того, наскільки хороші стани ресурсів для таких експериментів, як вибірка бозонів. «Такий інструмент визначення характеристик буде корисним для розуміння поточних обмежень у створенні багатофотонних станів і наслідків, які це має для квантової інтерференції, і, отже, потенційного пошуку шляхів до покращення цих ресурсних станів», — каже вона.
За словами дослідників, їхній інноваційний пристрій дозволяє їм безпосередньо спостерігати специфічні ефекти інтерференції, які можуть відкрити нові шляхи для фундаментальних досліджень багаточастинкової квантової інтерференції, навіть за межами фотоніки. «Ми могли б вивчити наслідки цих ефектів у квантовій метрології, тобто для покращеної оцінки фізичних величин за допомогою квантових ефектів», — розповідає Томас.
Дана робота детально описана в Фізичний огляд X.
