At observere stien mindre tilbagelagt øger kvanteforøgelsen

Når man undersøger kvantemekanikkens subtile virkninger, alle parametre i systemet og dets målinger skal finjusteres for at observere det resultat, du håber på. Så hvad sker der, når du gearer alt til at opdage, hvad du mindst venter? Forskere ved MIT og Purdue University i USA fulgte netop denne tilgang og fandt ud af, at de kunne forstærke kvantesignaler med en faktor 30, mens de betinget ændrede den relative fase af en foton fra π/80 til π/2. Resultaterne kunne give det manglende led, der skubber en række kvantenetværksteknologier tættere på praktisk brug.

Kvanteteknologiprotokoller har generelt til formål at maksimere interaktionsstyrker, men forberedelse af disse sammenfiltrede systemer kan være meget vanskelig. "Vi stillede spørgsmålet, kan vi gøre svage interaktioner til meget stærke interaktioner på en eller anden måde? "forklarer Vladan Vuletic, Wolf Professor of Physics på MIT. "Du kan, og prisen er, de sker ikke ofte. "

Virkningerne Vuletic og kolleger observerer afhængigt af de faktorer, der indgår i "forventningsværdierne" i kvanteeksperimenter. Forventningsværdier beskriver det gennemsnitlige resultat af et kvantescenario og svarer til produktet af hver mulig værdi og dens sandsynlighed. Vuletic og hans samarbejdspartnere fokuserede deres undersøgelser på scenarier, hvor gennemsnittet domineres af sjældne hændelser, som et lotteri, hvor alle i gennemsnit vinder et lille beløb, selvom det faktisk er kun få mennesker vinder enorme beløb. I kvantemekanik, lys tager også nogle gange stien mindre tilbagelagt, og som forskerne viser, dette kan virkelig gøre hele forskellen.

Forskerne havde set på interaktionerne mellem fotoner - et signalfoton og et hjælpefoton - efter forskellige veje gennem et ensemble af kolde atomer i et hulrum. Hver foton kan interagere med atomerne, og at interaktionen bærer signaturen om, hvordan den anden foton har interageret, giver en indirekte interaktion mellem de to fotoner. Interaktioner efterlader fortælletegn i foton, såsom et faseskift, som mens nul ved resonans bliver positiv eller negativ væk fra resonans afhængigt af hvilken side af systemets resonans parametrene er indstillet til.

Mahdi Hosseini ved Purdue University forklarer, at de noterede et gennemsnitligt faseskift, da de havde studeret interaktionen. "Jeg kan huske, at Vladan derefter lavede nogle beregninger en nat, og sendte den til os, og vi kiggede på det, og i første omgang, Jeg tænkte, at det ikke kunne fungere, "siger Hosseini. Beregningen antydede overraskende resultater for et regime, hvor der var stor sandsynlighed for en supplerende fotonmåling, der er forbundet med et lavt faseskift i signalstrålen (som det kunne være tilfældet nær resonans). I sjældne tilfælde, at dette er ikke den måling, der er registreret for den supplerende foton, faseskiftet for signalstrålen skal være stort, så produktet med den lave sandsynlighed stadig opfylder forventningsværdien.

Hvad er mere, gennem dette fænomen, de parametre, der er valgt til at måle den supplerende foton, kan i høj grad påvirke faseforskydningsresultatet for signalfonen på trods af svage interaktioner mellem de to, noget forskerne beskriver som "indvarslet fotonkontrol." Med omhyggelig manipulation af systemparametrene for at justere eksperimentets regime, forskerne var i stand til at observere virkningsteorien havde forudsagt.

"Vi var mere begejstrede end overraskede, "siger Hosseini." Naivt, når man ser på gennemsnittet, du forventer ikke at se noget faseskift ved resonans, ikke engang et lille faseskift; du forventer at se ingen. Men det viser sig, at ved at ændre måleprocessen, du kan ændre dette til meget interaktive tilstande, og det var overraskende. "

Forskerne påpeger, at protokoller, der også forstærker signaler, er blevet demonstreret i andre systemer gennem "lydløs forstærkning" og "svage målinger." Disse protokoller tilbyder forbedringer af faktorer mellem to og fem, med en meget lille sandsynlighed. "Hvis troværdigheden gange sandsynligheden er meget mindre end 50%, det er ikke rigtig nyttigt til sansning, for eksempel, "forklarer Hosseini. I modsætning hertil er Hosseini, Vuletic og deres samarbejdspartnere var i stand til at demonstrere faseforskydninger op til π/2, hvor det gennemsnitlige faseskift er π/80 og forstærkning af foton -tallet med en faktor på omkring 30. Selvom disse hændelser stadig er sjældne, sandsynligheden er mere lovende for praktiske anvendelser.

"Før, folk havde tænkt på denne lydløse forstærkning og ethvert faseskift som fuldstændig forskellige områder, "tilføjer Vuletic." Vi har vist, at det er det samme, og du kan få en lille ændring af parametre til at flytte fra faseskift til gevinst. "

Der er mange nye kvante netværksteknologier, der står over for en snublesten i fravær af en praktisk teknologi til at forstærke signaler, såsom kvantekommunikation over lange afstande, eller ved tilslutning af flere kvantecomputere, hver med et håndterbart antal qubits for at øge behandlingskapaciteten. "Tab og dekoherens er altid et problem, "siger Vuletic.

Mens Vuletic nu arbejder på "superatomer", der kan øge fotonkoblingen, Hosseinis arbejde udbreder den mere rodede verden i fast tilstand for at replikere fænomenerne i krystaller med sjældne jordioner. Disse systemer er ikke så rene, fordi det ikke er muligt at have så præcis viden om miljøet omkring ionerne som for totalt homogene atomer. Imidlertid, hvis princippet kan demonstreres i disse systemer, det kan tilbyde et mere praktisk grundlag for applikationer og endda multiplexere effekterne for at tilføje sandsynlighederne for hvert scenario.

© 2020 Science X Network