Udstrakte fotoner genopretter tabt interferens

De mindste stykker af naturen - individuelle partikler som elektroner, for eksempel - er stort set udskiftelige. En elektron er en elektron er en elektron, uanset om den sidder fast i et laboratorium på Jorden, bundet til et atom i noget kalkholdigt månestøv eller skudt ud af et ekstragalaktisk sort hul i en overophedet stråle. I praksis, selvom, forskelle i energi, bevægelse eller placering kan gøre det nemt at skelne to elektroner fra hinanden.

En måde at teste for ligheden mellem partikler som elektroner er at bringe dem sammen på samme tid og sted og lede efter interferens - en kvanteeffekt, der opstår, når partikler (som også kan opføre sig som bølger) mødes. Denne interferens er vigtig for alt fra fundamentale tests af kvantefysik til hurtige beregninger af kvantecomputere, men at skabe det kræver udsøgt kontrol over partikler, der ikke kan skelnes.

Med et øje på at lette disse krav, forskere ved Joint Quantum Institute (JQI) og Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS) har strakt flere fotoner ud - lysets kvantepartikler - og forvandlet tre forskellige impulser til overlappende kvantebølger. Arbejdet, som for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , genopretter interferensen mellem fotoner og kan i sidste ende muliggøre en demonstration af en bestemt form for kvanteoverherredømme - en klar hastighedsfordel for computere, der kører efter kvantefysikkens regler.

"Mens fotoner ikke interagerer direkte med hinanden, når de mødes, kan de udvise et rent kvantetræk fraværende fra klassisk, ikke-kvantebølger, " siger JQI Fellow Mohammad Hafezi, en medforfatter af papiret og en lektor i fysik og elektro- og computerteknik ved University of Maryland.

Disse dage, at teste ligheden af ​​fotoner er rutine. Det involverer at bringe dem sammen ved en enhed kaldet en stråledeler og måle lyset, der kommer ud på den anden side.

Når en enkelt foton rammer en balanceret stråledeler, der er 50 procents chance for, at den vil rejse lige igennem og 50 procents chance for, at den reflekterer i en vinkel. Ved at placere detektorer i disse to mulige veje, videnskabsmænd kan måle, hvilken vej individuelle fotoner ender med at gå.

Hvis to identiske fotoner mødes ved stråledeleren, hvor den ene rejser mod øst og den anden mod nord, det er fristende at anvende den samme behandling til hver partikel individuelt. Det er rigtigt, at begge fotoner har lige stor chance for at rejse igennem eller reflektere, men fordi fotonerne ikke kan skelnes, det er umuligt at sige, hvem der går hvorhen.

Resultatet af denne identitetsforvirring er, at to af de mulige kombinationer - dem, hvor begge fotoner rejser lige gennem stråledeleren og begge fotoner reflekterer - ophæver hinanden, efterlader et tydeligt kvanteresultat:Fotonerne slår sig sammen og rejser som et par, altid ender ved en af ​​de to detektorer sammen.

Nu har Hafezi og hans kolleger fra UMD og University of Portsmouth observeret en lignende interferenseffekt med skelnelige fotoner - lysimpulser kun to picosekunder lange (et picosekund er en trilliontedel af et sekund), der er adskilt af snesevis af picosekunder. Det væsentlige trick var at finde en måde at gøre pulserne mindre skelnelige, så de kunne forstyrre.

"Vi brugte et enkelt optisk element, der dybest set er en fiber, " siger Sunil Mittal, en postdoc-forsker ved JQI og medforfatter til det nye papir. "Det efterligner hvad der svarer til omkring 150 kilometer fiber, som strækker fotonerne. Det fungerer lidt som en linse omvendt, hvilket får forskellige frekvenser i pulserne til at spredes og defokusere."

Ved at forlænge hver foton med en faktor på omkring 1000, forskerne kunne effektivt slette tidsforsinkelsen mellem pulserne og skabe store dele af overlap. Det overlap gjorde det mere sandsynligt, at fotoner ville ankomme til detektorer på samme tid og forstyrre hinanden.

Tidligere eksperimenter (inklusive af JQI og QuICS Fellow Christopher Monroe og samarbejdspartnere) har med succes forstyrret skelnelige fotoner, men disse resultater krævede flere kanaler for det indkommende lys - en for hver foton. Det nye værk bruger kun en enkelt kanal, der bærer lys ved standard telekommunikationsfrekvenser, som forfatterne siger, gør det muligt for deres system nemt at skalere til at inkludere mange flere fotoner.

At have flere fotoner ville give forskere mulighed for at studere bosonprøvetagning, et beregningsmæssigt problem, der menes at være for svært for almindelige computere (svarende til det problem, som Google rygtes at have løst). I sin standardform, bosonsampling vedrører fotoner - som er medlemmer af en familie af partikler kaldet bosoner - på vej gennem et stort netværk af stråledelere. Fotonerne kommer ind i netværket gennem forskellige kanaler og går ud til detektorer, med en detektor pr. kanal.

"Problemet" med bosonprøvetagning svarer til at lave en kompliceret møntvending, da hvert eksperiment prøver fra den underliggende chance for, at (f.eks.) tre fotoner kommer ind i netværket ved porte 1, 2 og 5 ender på udgange 2, 3 og 7. Interferensen inde i netværket er kompleks og umulig at spore med en almindelig computer – selv for beskedne antal fotoner – og det bliver sværere, jo flere fotoner du tilføjer. Men med rigtige fotoner i et rigtigt netværk, problemet ville løse sig selv.

"Forbindelsen mellem dette eksperiment og bosonsampling er et godt eksempel på, hvordan den voksende synergi mellem kvante-mangelegemefysik og beregningsmæssig kompleksitetsteori kan føre til store fremskridt på begge områder, " siger JQI og QuICS Fellow Alexey Gorshkov, en adjungeret lektor i fysik ved UMD og en anden medforfatter til papiret.

Men indtil nu, bosonprøvetagningseksperimenter har lidt under problemet med skalerbarhed:At løse problemet for flere fotoner betød tilføjelse af flere kanaler, hvilket betød at optage mere plads og timing af ankomsten af ​​endnu flere fotoner for at sikre deres interferens. Mittal siger, at deres teknik potentielt løser begge disse problemer.

"I vores system, input behøver ikke være i forskellige fibre, " siger Mittal. "Alle fotonerne kan rejse i en enkelt fiber, og tidsforskellene kan slettes ved den samme metode, som vi allerede har demonstreret." En anden hyldevare kunne efterligne netværket af stråledelere, med den ekstra fordel at tillade nem omkonfiguration, siger Mittal. "Vi laver ikke bosonprøver nu, men det ville være relativt nemt at gå i den retning."