在不可区分的光子样本中，它们到底有多不可区分？ 一个国际科学家团队现在通过对多光子不可区分性进行首次精确测量来回答这个问题。 使用基于互连波导的创新型光学干涉仪，该团队表明可以在量子光学实验中检查单光子源的性能和多光子态的生成——成就团队成员 安德里亚·克雷斯皮 描述为“为量子光学实验者的工具箱添加了一个额外的元素”。
在经典物理学支配的日常世界中，我们总能找到方法来分辨哪个宏观物体是哪个，即使许多物体表面上看起来相同。 然而，在量子世界中，粒子可以在深刻的意义上是相同的，克雷斯皮解释说，他是一位物理学家 意大利米兰理工大学. 这使得真正不可能将一个粒子与另一个粒子区分开来，并导致类似波的行为，例如干涉。
这些不寻常的行为使相同的光子成为光量子技术的关键资源。 例如，在量子计算中，它们构成了用于执行计算的量子位或量子位的基础。 在量子通信中，它们用于通过大规模量子网络发送信息。
证明真正的不可区分性
为了检查两个光子是否不可区分，研究人员通常将它们发送到干涉仪中，在干涉仪中，两个通道或波导非常接近，以至于每个光子都可以通过它们中的任何一个。 如果这两个光子完全无法区分，那么它们最终总是会一起进入同一个波导。 然而，这种技术不能用于更大的光子集，因为即使对所有可能的双光子组合重复该技术，仍然不足以完全表征多光子集。 这就是为什么“真正的不可区分性”——一个量化一组光子与这个理想的、相同状态的接近程度的参数——很难测量多个光子的原因。
在这项新工作中，来自米兰和 意大利罗马大学“La Sapienza”;的 意大利研究委员会;的 法国帕莱索纳米科学和纳米技术中心; 和光子量子计算公司 昆德拉 为四个光子构建了一个“不可区分性测试”。 他们的系统由一块玻璃板组成，他们使用激光写入技术在上面印上了八个波导。 使用半导体量子点源，他们反复将光子发送到波导中，然后记录哪些波导被光子占据。
接下来，他们使用微型加热器加热其中一个包含光子的波导。 温度的升高改变了波导的折射率，引起光子光学相位的变化，并由于干涉效应导致它跳到七个波导中的另一个。
实验表明，波导之间的振荡幅度可用于确定真正的不可区分性参数，该参数是介于 0 和 1 之间的数字（1 对应于完全相同的光子）。 在他们的实验中，他们计算出 0.8 的不可区分性。
“如果是 n 光子，真正不可区分性的概念以最真实的方式量化了区分这些粒子的可能性有多大，它与集体量子干涉效应的显着程度有关，”Crespi 解释道。 “我们测量这个数量的技术基于一种新型干涉仪，该干涉仪旨在在其输出端提供不寻常的干涉效果，从而‘提炼’整组的集体真正不可区分性。 n 光子与部分子集的不可区分性有关。”
量子光学工具
虽然该技术可以处理四个以上的光子，但观察不可区分性变化所需的测量次数会随着光子数量呈指数增长。 因此，对于 100 个或更多的光子来说，这是不切实际的，而这可能是未来光学计算机所需的数量。 尽管如此，Crespi 说它可以用于量子光学实验，在这些实验中，科学家需要知道光子是否不可区分。
干涉墙捕获单个光子
“真正的不可区分性是一个关键参数，它提供有关多光子源质量的信息并确定这些 n 光子可以用于复杂的信息状态，”他说 物理世界. “要开发能够证明量子信息处理和传输的定量优势的可靠技术，不仅要开发好的资源，还要开发表征和量化这些资源质量的方法。”
队员 莎拉·托马斯（Sarah Thomas），现在是量子光学的博士后 英国伦敦帝国理工学院, 表示该方法可用于量化玻色子采样等实验的资源状态有多好。 “这样的表征工具将有助于理解当前构建多光子状态的局限性以及这对量子干涉的影响，因此有可能找到改善这些资源状态的途径，”她说。
据研究人员称，他们的创新设备使他们能够直接观察到奇特的干涉效应，这可能为多粒子量子干涉的基础研究开辟新途径，甚至超越光子学。 “我们可以探索这些效应在量子计量学中的意义——也就是说，通过量子效应来增强对物理量的估计，”Thomas 透露道。
目前的工作在 物理评论X.
