Lad der være lys:Mange fotoner er bedre end én til at fremme kvanteteknologier

Kvanteobjekter, såsom elektroner og fotoner, opfører sig anderledes end andre objekter på måder, der muliggør kvanteteknologi. Deri ligger nøglen til at låse op for mysteriet om kvantesammenfiltring, hvor flere fotoner eksisterer i flere tilstande eller frekvenser.

Ved at forfølge fotoniske kvanteteknologier har tidligere undersøgelser fastslået anvendeligheden af ​​Fock-tilstande. Disse er multifoton, multimode tilstande, der er muliggjort ved smart at kombinere en række en-foton input ved hjælp af såkaldt lineær optik. Men nogle væsentlige og værdifulde kvantetilstande kræver mere end denne foton-for-foton-tilgang.

Nu har et team af forskere fra Kyoto University og Hiroshima University teoretisk og eksperimentelt bekræftet de unikke fordele ved ikke-Fock-tilstande - eller iNFS - komplekse kvantetilstande, der kræver mere end en enkelt fotonkilde og lineære optiske elementer. Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Science Advances .

"Vi har med succes bekræftet eksistensen af ​​iNFS ved hjælp af et optisk kvantekredsløb med flere fotoner," siger den tilsvarende forfatter Shigeki Takeuchi ved Graduate School of Engineering.

"Vores undersøgelse vil føre til gennembrud inden for applikationer såsom optiske kvantecomputere og optisk kvanteregistrering," tilføjer medforfatter Geobae Park.

Fotonen er en lovende bærer, fordi den kan transmitteres over lange afstande, mens den bevarer sin kvantetilstand ved konstant stuetemperatur. Udnyttelse af mange fotoner i flere tilstande ville realisere langdistance optisk kvantekryptografi, optisk kvanteregistrering og optisk kvanteberegning.

"Vi genererede møjsommeligt en kompleks type iNFS ved at bruge vores Fourier-transformation fotoniske kvantekredsløb til at manifestere to fotoner i tre forskellige veje, hvilket er det mest udfordrende fænomen med betinget sammenhæng at opnå," forklarer medforfatter Ryo Okamoto.

Derudover sammenlignede denne undersøgelse et andet fænomen med den vidt anvendte kvantesammenfiltring, som opstår og forsvinder ved blot at krydse et enkelt lineært optisk element. Kvantesammenfiltring er en kvantetilstand med to eller flere korrelerede tilstande i en superposition mellem to separate systemer.

"Overraskende nok viser denne undersøgelse, at iNFS-egenskaber ikke ændres, når de passerer gennem et netværk af mange lineære optiske elementer, hvilket markerer et spring inden for optisk kvanteteknologi," bemærker medforfatter Holger F Hofmann ved Hiroshima University.

Takeuchis team hævder, at iNFS udviser betinget sammenhæng, et noget mystisk fænomen, hvor detektion af blot en foton betyder, at de resterende fotoner eksisterer i en superposition af flere veje.

"Vores næste fase er at realisere større skala multifoton, multimode-tilstande og optiske kvantekredsløbschips," udtaler Takeuchi.

Flere oplysninger: Geobae Park et al., Realisering af fotonkorrelationer ud over den lineære optiske grænse, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj8146

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Kyoto University