Forskere finder ny multifotoneffekt inden for kvanteinterferens af lys

Et internationalt hold af forskere fra Leibniz University Hannover (Tyskland) og University of Strathclyde i Glasgow (Storbritannien) har modbevist en tidligere holdt antagelse om virkningen af ​​multifotonkomponenter i interferenseffekter af termiske felter (f.eks. sollys) og parametriske enkeltfotoner (genereret i ikke-lineære krystaller). Tidsskriftet Physical Review Letters har offentliggjort holdets forskning.

"Vi har eksperimentelt bevist, at interferenseffekten mellem termisk lys og parametriske enkeltfotoner også fører til kvanteinterferens med baggrundsfeltet. Af denne grund kan baggrunden ikke blot negligeres og trækkes fra beregninger, som det har været tilfældet indtil nu." siger Prof. Dr. Michael Kues, leder af Institute of Photonics og medlem af bestyrelsen for PhoenixD Cluster of Excellence ved Leibniz University Hannover.

Den førende videnskabsmand var ph.d. studerende Anahita Khodadad Kashi, som udfører forskning i fotonisk kvanteinformationsbehandling ved Institute of Photonics. Hun undersøgte, hvordan synligheden af ​​den såkaldte Hong-Ou-Mandel-effekt, en kvanteinterferenseffekt, påvirkes af multifotonkontamination.

"Med vores eksperiment har vi afkræftet den tidligere gyldige antagelse om, at multifotonkomponenter kun ville forringe synlighed og derfor kan trækkes fra i beregningen," siger Khodadad Kashi. "Vi har opdaget en ny grundlæggende egenskab, som ikke blev taget i betragtning i tidligere beregninger. Vores nyudviklede model kan forudsige kvanteinterferensen, og vi kan måle denne effekt i et eksperiment."

Sådan skabes ny viden

Forskerne stødte på deres opdagelse, mens de udførte et eksperiment i laserlaboratoriet. De opnåede et negativt resultat, da de i første omgang fulgte den oprindelige beregningsmetode. "Men resultatet ville have været fysisk umuligt," siger Khodadad Kashi. Sammen begyndte teamet at fejlfinde forsøgsopstillingen og beregningsmodellen.

"Når et eksperiment viser sig meget anderledes end forventet, begynder videnskabsmænd at stille spørgsmålstegn ved tidligere antagelser og lede efter nye forklaringer," siger Kues.

De udviklede i fællesskab deres nye teori om kvanteinterferens af termiske felter med parametriske enkeltfotoner. Kvanteforsker Lucia Caspani fra University of Strathclyde i Glasgow var den første til at teste tilgangen. Som næste skridt præsenterede Khodadad Kashi sin teori og de eksperimentelle resultater på internationale konferencer, herunder Photonics West i San Francisco. Der diskuterede hun sin model med andre videnskabsmænd og fik bekræftet sine resultater.

Med den nye teori og den eksperimentelle verifikation har Kues' team ydet et vigtigt bidrag til en bedre forståelse af kvantefænomener. "Resultaterne kan være vigtige for kvantenøgledistribution, som er nødvendig for sikker kommunikation i fremtiden, specifikt hvordan kvanteinterferenseffekter fortolkes til generering af hemmelige nøgler," siger Khodadad Kashi.

Mange spørgsmål er dog stadig ubesvarede, siger Kues. "Der er blevet forsket lidt i multifotoneffekter, så der er stadig brug for meget arbejde."

Flere oplysninger: Anahita Khodadad Kashi et al., Spectral Hong-Ou-Mandel Effect between a Heralded Single-Photon State and a Thermal Field:Multiphoton Contamination and the Nonclassicality Threshold, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.233601

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af Leibniz University Hannover