Udforskning af kvantekorrelationer af klassisk lyskilde til billedtransmission

Der har været en interessant debat om kvante versus klassisk oprindelse af spøgelsesbilleder i termisk lys. For at afklare dette kvante-klassiske dilemma, Lixiang Chen ved Xiamen University of China formulerede en tæthedsmatrix til fuldt ud at beskrive termisk to-foton orbital vinkelmomenttilstand, som afslørede den skjulte kvantitet med ikke-nul uenighed. Derefter, et skema til at efterligne teleportation blev udtænkt for at demonstrere muligheden for at teleportere et optisk billede, med en tilhørende karakterløs baggrund.

I science fiction, "teleportation" er almindeligvis portrætteret som et middel til at overføre fysiske objekter fra et sted til et andet et stykke væk. Men i fysik, kvanteteleportering overfører kun kvanteinformation, dvs. en partikels kvantetilstand, uden nogen fysisk overførsel af selve partiklen. Kvanteprotokollen for teleportering blev teoretisk udviklet af Bennett og kolleger i 1993, og dens første eksperimentelle demonstration blev realiseret af Bouwmeester og hans kolleger i 1997. Der er for nylig gjort fremskridt med at realisere teleporteringen fra en sender på Jorden til en modtager på en satellit, mod en global skala. I den oprindelige ordning, kvantesammenfiltring er en væsentlig forudsætning for at implementere teleporteringen.

På den anden side, spøgelsesbilleder repræsenterer en spændende billedoptagelsesteknik, hvor et billede kan rekonstrueres ved at bruge en lysstråle, der aldrig interagerer med objektet. Imidlertid, det blev påvist, udover kvanteindviklet bifotonkilde, klassisk termisk lyskilde kan også udnyttes til at realisere opgaven med spøgelsesbilleder, hvilket rejser et spørgsmål om, hvorvidt sammenfiltring virkelig var nødvendig for spøgelsesbilleder. En masse fornemt arbejde har bidraget, både teoretisk og eksperimentelt, dog består det kvanteklassiske dilemma stadig.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og anvendelse , Lixiang Chen fra College of Physical Science and Technology, Xiamen Universitet, Kina, har undersøgt dette igangværende kvante-klassiske dilemma. I en foton orbital vinkelmomentum (OAM) Hilbert rum, han formulerede en densitetsmatrix til fuldt ud at beskrive to-foton tilstand i en termisk lyskilde, som fremstår som en sum af en højdimensionel OAM-sammenfiltret tilstand og en diagonal fuldt adskillelig tilstand. Interessant nok, tæthedsmatricen er bevist at være adskillelig, dvs. nul sammenfiltring i sig selv. Stadig, denne formulering tilbyder et fysisk intuitivt billede for at afsløre kvanteheden skjult i termisk to-foton OAM-tilstand, som var karakteriseret ved ikke-nul geometrisk splid, der skelner kvantekorrelationer ud over sammenfiltring.

Et følgende spørgsmål opstår naturligt om, hvorvidt en sådan ikke-sammenfiltret, men ikke-klassisk termisk to-foton-tilstand kunne udforskes til brugbare kvanteanvendelser. Forfatteren besvarede dette spørgsmål positivt ved at gense kvanteteleporteringsprotokollen. De numeriske simuleringer viste, at på enkeltfotonniveau, den termiske to-foton OAM-tilstand kunne udnyttes til at teleportere en højdimensionel OAM-tilstand, hvor den hentede tilstand blot er en blanding af en nøjagtig kopi af den oprindelige tilstand og en maksimalt blandet baggrund.

I modsætning til todimensionel polarisationstilstand, OAM-egentilstandene danner en uendelig dimensionel, ortogonal, og komplet grundlag. Derfor, et optisk billede med kompleks amplitude kan ækvivalent repræsenteres af en højdimensionel OAM-tilstandsvektor. Dermed, muligheden for at teleportere et Clover-billede af både amplitude- og fasemodulation blev også teoretisk demonstreret, med flere gentagelser af protokollen.

Professor Chen opsummerer protokollens operationelle princip sådan:"Lysfeltet, udsendes fra en termisk lyskilde, er opdelt i to veje af en ikke-polariserende stråledeler, som genererer den termiske to-foton OAM-tilstand. Fotonen i én sti er rettet til at interagere med en anden tredje foton (kodet med kompleks-amplitude Clover-billedet) i den højdimensionelle klokketilstandsmåling (BSM) fase. Betinget af BSM-resultaterne og efter at være udført med en korrekt enhedsoperation, fotonen i den anden sti sendes for at ramme et ICCD-kamera, der arbejder i triggertilstand. Derefter, det originale billede kan hentes korrekt af ICCD-kameraet, med flere gentagelser af vores protokol."

"I det foreliggende forslag den korrekte transmission af et billede sikres af den rene højdimensionelle OAM-entanglement-komponent, mens den diagonale fuldstændig blandede komponent blot frembringer en karakterløs baggrund." tilføjede han.

"I fremtiden, min teoretiske ramme kan også kræve yderligere undersøgelser af brugen af ​​termisk multi-fotontilstand til at demonstrere nogle nye kvanteinformationsopgaver, såsom fjerntilstandsforberedelse og ny billeddannelse med uopdagede fotoner." Prognoser professor Chen.