Kvantesammenfiltring mellem en enkelt foton og en billion rubidiumatomer

En gruppe forskere fra Det Fysiske Fakultet ved Warszawa Universitet har kastet nyt lys over Einsteins berømte paradoks, Podolsky og Rosen efter 80 år. De skabte en multidimensional sammenfiltret tilstand af en enkelt foton og en billion varme rubidiumatomer, og opbevarede denne hybride sammenfiltring i laboratoriet i flere mikrosekunder. Forskningen er publiceret i Optica .

I deres berømte Fysisk gennemgang artikel, udgivet i 1935, Einstein, Podolsky og Rosen betragtede henfaldet af en partikel til to produkter. I deres tankeeksperiment, to produkter af forfald blev projiceret i nøjagtig modsatte retninger - eller mere videnskabeligt set, deres momenta var anti-korrelerede. Selvom det ikke er et mysterium inden for rammerne af klassisk fysik, når man anvender kvanteteoriens regler, de tre forskere nåede frem til et paradoks. Heisenbergs usikkerhedsprincip, at diktere, at position og momentum af en partikel ikke kan måles på samme tid, ligger i centrum for dette paradoks. I Einsteins tankeeksperiment, det er muligt at måle den ene partikels momentum og straks kende den andens momentum uden måling, da det er stik modsat. Derefter, ved at måle positionen af ​​den anden partikel, Heisenbergs usikkerhedsprincip er tilsyneladende overtrådt, et tilsyneladende paradoks, der for alvor forvirrede de tre fysikere.

Vi ved nu, at dette eksperiment ikke er, faktisk, et paradoks. Einsteins og kollegers fejl var at anvende en-partikel-usikkerhed på et system af to partikler. Hvis vi behandler disse to partikler som beskrevet af en enkelt kvantetilstand, vi lærer, at det oprindelige usikkerhedsprincip ikke længere gælder, især hvis disse partikler er viklet ind.

I Quantum Memory Laboratory ved Warszawa Universitet, gruppen af ​​tre fysikere var de første til at skabe sådan en sammenfiltret tilstand, som bestod af et makroskopisk objekt - en gruppe på omkring en billion atomer, og en enkelt foton. "Enkelte fotoner, spredt under interaktionen af ​​en laserstråle med atomer, er registreret på et følsomt kamera. En enkelt registreret foton bærer information om kvantetilstanden for hele gruppen af ​​atomer. Atomerne kan lagres, og deres tilstand kan hentes efter anmodning, " siger Michal Dabrowski, Ph.D. elev og medforfatter til artiklen.

Resultaterne af eksperimentet bekræfter, at atomerne og den enkelte foton er i en sammenfiltret tilstand. Ved at måle fotonens position og momentum, forskerne fik al information om atomernes tilstand. For at bekræfte dette, polske videnskabsmænd konverterede den atomare tilstand til en anden foton, som blev målt med det samme topmoderne kamera.

"Vi demonstrerede Einstein-Podolsky-Rosens tilsyneladende paradoks i en meget lignende version som oprindeligt foreslået i 1935, men vi udvidede eksperimentet ved at tilføje lagring af lys inden for den store gruppe af atomer. Atomer lagrer fotonen i form af en bølge lavet af atomare spins, der indeholder en billion atomer. En sådan tilstand er meget robust mod tab af et enkelt atom, da information er spredt over så mange partikler, " siger Michal Parniak, Ph.D. studerende, der deltager i undersøgelsen.

Eksperimentet er unikt på en anden måde, såvel. Kvantehukommelsen, der lagrer den sammenfiltrede tilstand, giver mulighed for lagring af op til 12 fotoner på én gang. Denne øgede kapacitet er lovende med hensyn til anvendelser inden for kvanteinformationsbehandling. "Den multidimensionelle sammenfiltring er gemt i vores enhed i flere mikrosekunder, som er omkring tusind gange længere end i nogen tidligere eksperimenter, og på samme tid, længe nok til at udføre subtile kvanteoperationer på atomtilstanden under opbevaring, " forklarer Dr. Wojciech Wasilewski, gruppeleder af Quantum Memories Laboratory-teamet.

Sammenfiltringen i det virkelige rum og momentum, beskrevet i Optica artikel, kan bruges sammen med andre velkendte frihedsgrader såsom polarisering, tillader generering af såkaldt hyper-entanglement. Sådanne ideer udgør en ny og original test af kvantemekanikkens grundlæggende principper, en teori, der uophørligt er mystisk, tilbyder alligevel enorme teknologiske fremskridt.