Observation af kvantekohærens fra fotoner spredt i frit rum

Kvantekohærens er en nøgleingrediens i mange grundlæggende tests og applikationer inden for kvanteteknologi, herunder kvantekommunikation, billeddannelse, computer, sansning og metrologi. Imidlertid, overførslen af ​​kvantekohærens i frit rum har hidtil været begrænset til direkte linie-of-sight-kanaler, da atmosfærisk turbulens og spredning forringer kvaliteten af ​​sammenhængen alvorligt.

I et nyt blad udgivet i Lys:Videnskab og applikationer , forskere fra University of Waterloo har med succes demonstreret overførsel og genvinding af kvantekohærens ved hjælp af fotoner spredt i frit rum for første gang. Dette muliggør nye forskningsmuligheder og anvendelser inden for områder lige fra kvantekommunikation til billeddannelse og videre.

"Evnen til at overføre kvantekohærens via spredte fotoner betyder, at du nu kan gøre mange ting, som tidligere krævede direkte frirumskanaler, " sagde Shihan Sajeed, hovedforfatter på papiret og en postdoc-stipendiat ved Institute for Quantum Computing (IQC) og i Institut for Fysik og Astronomi ved University of Waterloo i Ontario, Canada.

Normalt, hvis du forsøger at sende og modtage fotoner gennem luften (frirum) til kvantekommunikation, eller enhver anden kvantekodet protokol, du har brug for en direkte linie mellem sender og modtager. Alle objekter i den optiske vej – så store som en væg eller så små som et molekyle – vil reflektere nogle fotoner og sprede andre, afhængig af overfladens reflektionsevne. Enhver kvanteinformation indkodet i fotonerne går typisk tabt i de spredte fotoner, afbryde kvantekanalen.

Sammen med Thomas Jennewei, hovedefterforsker af Quantum Photonics lab ved IQC, Sajeed fandt en måde at indkode kvantekohærens i par af fotonimpulser sendt efter hinanden, så de ville bevare deres sammenhæng selv efter spredning fra en diffus overflade.

Forskerne udsendte et tog af pulspar med en specifik fasekohærens, der kunne måles fra de spredte fotoner ved hjælp af kvanteinterferens. De brugte også en single-photon-detector-array sensor, der, ud over at løse bølgefrontforvrængninger forårsaget af atmosfærisk turbulens, fungerede som billedkunstner, derved giver dem mulighed for at observere enkeltfotoninterferens og billeddannelse samtidigt. De placerede detektoren, hvor den kun ville absorbere spredte fotoner fra laserimpulserne, og observerede en synlighed på over 90 %, hvilket betyder, at de spredte fotoner bevarede deres kvantekohærens, selv efter at de smadrede mod et objekt.

Deres nye teknik krævede tilpasset hardware for at gøre brug af det sammenhængende lys, de genererede. Det enkelte fotondetektorarray kunne detektere en milliard fotoner hvert sekund, med en præcision på 100 picosekunder. Kun banebrydende tidsmærkende elektronik kunne klare kravene til denne lysstrøm, og holdet skulle designe deres eget elektronikadapterkort til at kommunikere mellem detektorerne og den computer, der skulle behandle dataene.

"Vores teknik kan hjælpe med at afbilde et objekt med kvantesignaler eller sende en kvantemeddelelse i et støjende miljø, " siger Sajeed. "Sprede fotoner, der vender tilbage til vores sensor, vil have en vis sammenhæng, hvorimod støj i miljøet ikke vil, og så vi kan afvise alt undtagen de fotoner, vi oprindeligt sendte."

Sajeed forventer, at deres resultater vil stimulere ny forskning og nye anvendelser inden for kvantesansning, meddelelse, og billeddannelse i frirumsmiljøer. Duoen demonstrerede kvantekommunikation og billeddannelse i deres papir, men Sajeed sagde, at der er behov for yderligere forskning for at finde ud af, hvordan deres teknikker kan bruges i forskellige praktiske anvendelser.

"Vi mener, at dette kunne bruges i kvanteforstærket LIDAR (Light Detection and Ranging), kvantesansning, ikke-line-of-sight billeddannelse, og mange andre områder - mulighederne er uendelige, " sagde Sajeed.