Forskere korrelerer fotonpar i forskellige farver, der genereres i separate bygninger

Partikler kan nogle gange virke som bølger, og fotoner (lyspartikler) er ingen undtagelse. Ligesom bølger skaber et interferensmønster, som krusninger på en dam, det samme gør fotoner. Fysikere fra National Institute of Standards and Technology (NIST) og deres kolleger har opnået en stor ny bedrift - at skabe en bizar "kvante" interferens mellem to fotoner i markant forskellige farver, stammer fra forskellige bygninger på University of Maryland campus.

Eksperimentet er et vigtigt skridt for fremtidig kvantekommunikation og kvanteberegning, som potentielt kunne gøre ting, som klassiske computere ikke kan, såsom at bryde kraftfulde krypteringskoder og simulere adfærden for komplekse nye lægemidler i kroppen. Interferensen mellem to fotoner kunne forbinde fjerne kvanteprocessorer, muliggør et internetlignende kvantecomputernetværk.

Det er vigtigt at bruge fotoner, der oprindeligt havde forskellige farver (bølgelængder), fordi det efterligner den måde, en kvantecomputer ville fungere på. For eksempel, synlige lysfotoner kan interagere med fangede atomer, ioner eller andre systemer, der fungerer som kvanteversioner af computerhukommelse, mens fotoner med længere bølgelængde (nær-infrarød) er i stand til at formere sig over lange afstande gennem optiske fibre.

Ligesom klassiske computere havde brug for pålidelige måder at overføre, lagre og behandle elektroner før kompleks, netværksberegning var mulig, NIST -resultatet bringer udveksling af kvanteberegningsinformation et vigtigt skridt tættere på virkeligheden.

I deres undersøgelse, et samarbejde mellem NIST og Army Research Laboratory, fysikere og ingeniører i tilstødende bygninger ved University of Maryland skabte to forskellige og separate kilder til individuelle fotoner. I en bygning, en gruppe rubidiumatomer blev bedt om at udsende enkeltfotoner med en bølgelængde på 780 nanometer, i den røde ende af spektret af synligt lys. I den anden bygning, 150 meter væk, en fanget bariumion blev foranlediget til at udsende fotoner med en bølgelængde på 493 nanometer - næsten 40 procent kortere - mod den blå ende af spektret.

Derefter skulle forskerne lave de blå fotoner til døde ringere for de røde. At gøre dette, Alexander Craddock, Trey Porto og Steven Rolston fra Joint Quantum Institute, et partnerskab mellem NIST og University of Maryland, og deres kolleger blandede de blå fotoner med infrarødt lys i en speciel krystal. Krystallen brugte det infrarøde lys til at skjule de blå fotoner til en bølgelængde, der matchede de røde i den anden bygning, samtidig med at de bevarede deres oprindelige egenskaber. Først da sendte teamet fotoner gennem en 150 meter optisk fiber for at møde de næsten identiske røde fotoner i den anden bygning.

Fotonerne var så ens, at det ikke var muligt at skelne dem fra hinanden i den eksperimentelle opsætning. Individuelle fotoner virker normalt uafhængigt af hinanden. Men på grund af lysets særegne kvante karakter, når to ikke -adskilte fotoner forstyrrer hinanden, deres veje kan blive korrelerede, eller afhængige af hinanden. En sådan kvantekorrelation kan bruges som et kraftfuldt værktøj til beregning.

Helt sikkert, forskerne observerede denne sammenhæng, når par af de separat producerede fotoner skærede hinanden. Fotonparene passerede gennem en optisk komponent kendt som en strålesplitter, som kunne sende dem på en af ​​to veje. Handler alene, hver foton ville gøre sine egne ting og have en 50-50 chance for at gå igennem begge veje. Men de to utelelige fotoner overlappede som bølger. På grund af deres bizarre kvanteinterferens, de blev sammen og gik altid den samme vej. Ved at slutte sig til disse engang uafhængige fotoner i hoften, denne interferenseffekt kan potentielt udføre mange nyttige opgaver i behandlingen af ​​kvanteinformation.

Forskerne rapporterede deres fund online i en nylig udgave af Fysisk gennemgangsbreve .

En direkte forbindelse til kvanteberegning ville komme, hvis interferensmønsteret er knyttet til en anden bizar egenskab ved kvantemekanik kendt som forvikling. Dette fænomen opstår, når to eller flere fotoner eller andre partikler fremstilles på en sådan måde, at en måling af en bestemt egenskab - f.eks. momentum - den ene bestemmer automatisk den samme egenskab for den anden, selvom partiklerne er langt fra hinanden. Forvikling er kernen i mange kvanteinformationsordninger, herunder kvanteberegning og kryptering.

I teamets eksperiment, de to fotoner var ikke viklet ind i de systemer, der genererede dem. Men i fremtidige undersøgelser, sagde Porto, det burde være relativt let at sammenfiltre de røde fotoner med gruppen af ​​rubidiumatomer, der producerede det. Tilsvarende de blå fotoner kunne vikles ind i den fangede ion, der producerede dem. Når de to fotoner forstyrrer, denne forbindelse ville overføre sammenfiltringen mellem røde foton-rubidiumatomer og blå foton-ion for at blive en sammenfiltring mellem rubidiumatomerne og den fangede ion.

Det er denne overførsel af sammenfiltring - denne overførsel af oplysninger - der ligger til grund for kvantecomputernes potentielt store magt, Porto noterede sig.