 |
| H φωτεινότερη είναι καλύτερη κατά τη διεμπλοκή οι παλμοί γίνονται σε πεπιεσμένο-κενό. (Ευγενική χορηγία: iStockphoto / Mihail Ulianikov) |
Παλμοί φωτός που περιλαμβάνουν περίπου 100.000 πεπλεγμένα φωτόνια δημιουργήθηκαν από φυσικούς στη Γερμανία και Ρωσία. Οι παλμοί έγιναν σε κατάσταση «πεπιεσμένου-κενού» και η ομάδα διαπίστωσε ότι η διεμπλοκή θα πρέπει να έγινε ισχυρότερη καθώς ο αριθμός των φωτονίων στον παλμό αυξανόταν. Οι παλμοί θα μπορούσαν να βρουν χρήση σε τεχνολογίες, όπως στη κβαντική κρυπτογράφηση ή στη μετρολογία.
Η διεμπλοκή είναι ένα κβαντικό φαινόμενο που επιτρέπει στα σωματίδια όπως τα φωτόνια να έχουν μια πολύ στενότερη σχέση από ό, τι προβλέπεται από την κλασσική φυσική. Για παράδειγμα, δύο φωτόνια μπορεί να δημιουργηθ0ύν πειραματικά, έτσι ώστε εάν το ένα έχει μετρηθεί να είναι πολωμένο κατά την κατακόρυφη διεύθυνση, μία μέτρηση στο άλλο θα αποκαλύψει την ίδια πόλωση. Αυτό συμβαίνει παρά το γεγονός ότι μια μέτρηση σε ένα μόνο φωτόνιο θα αποκαλύψει μια τυχαία τιμή πόλωσης. Αν και μια τέτοια συσχέτιση μπορεί να συμβεί στο μη κβαντικό κόσμο, η κβαντική μηχανική το ενισχύει πέρα από ό, τι αναμένεται από την κλασσική φυσική. Αυτή η ασυμβατότητα μεταξύ των κβαντικών και κλασικών κόσμων περιγράφηκε συνοπτικά από τον Βόρειοιρλανδό φυσικό John Bell το 1964 και επιβεβαιώθηκε από μια σειρά πειραμάτων, που έγιναν στη δεκαετία του 1970 και του 1980.
Τώρα η Μαρία Chekhova και οι συνάδελφοί της στο Ινστιτούτο Max Planck για την Επιστήμη του Φωτός και Κρατικό στο Πανεπιστήμιο της Μόσχας έχουν δημιουργήσει κβαντικές καταστάσεις που περιέχουν ως και 100.000 φωτόνια, τα οποία είναι όλα πεπλεγμένα μεταξύ τους.
Μη γραμμικοί κρύσταλλοι
Το πείραμα της ομάδας ξεκινάει με έναν βομβαρδισμό με παλμό λέιζερ σε ένα πολωτικό διαχωριστή δέσμης, ο οποίος δημιουργεί δύο παλμούς με διαφορετικές πολώσεις. Αυτοί τροφοδοτούν δύο γραμμικούς κρυστάλλους και "αντλούν" τους κρυστάλλους. Χάρη στην μη γραμμική φύση των κρυστάλλων, ένα φωτόνιο σε ένα παλμό μπορεί να διασπαστεί σε ένα ζεύγος πεπλεγμένων φωτονίων με την ίδια πόλωση - αλλά με διαφορετικές ενέργειες (Α και Β). Το ένα φωτόνιο είναι στο υπέρυθρο και το άλλο είναι στο ορατό εύρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.
Η αρχική φθορά στον κρύσταλλο θα συμβεί αυθόρμητα και καθώς το πρώτο ζευγάρι φωτονίων ταξιδεύει μέσα από το κρύσταλλο θα προκαλέσει την εκπομπή άλλων ζευγών φωτονίων. Η επακόλουθη χιονοστιβάδα θα παράγει έναν παλμό φωτονίων που είναι όλα πεπλεγμένα σε αυτό που ονομάζεται κατάσταση "πεπιεσμένου-κενού". Ο παλμός συμπιέζεται επειδή ο αριθμός των φωτονίων σε παλμούς Α και Β συσχετίζονται με μεγαλύτερη ακρίβεια από ό, τι σε δύο τυπικούς παλμούς λέιζερ ίσης ενέργειας. Το τμήμα κενού του ορισμού, προέρχεται από το γεγονός ότι ο παλμός ξεκίνησε αυθόρμητα με μηδέν φωτόνια - κατάσταση κενού.
Οι παλμοί των πεπλεγμένων φωτονίων, από κάθε κρύσταλλο ανασυνδυάζονται τότε σε ένα δεύτερο διαχωριστή πόλωσης δέσμης για να δημιουργήσει ένα μοναδικό παλμό που είναι πολωμένος. Αυτός ο παλμός χειρίζεται χρησιμοποιώντας μία "διχροϊκή πλάκα", η οποία περιστρέφει την πόλωση των φωτονίων μιας ενέργειας - ας πούμε Α - κατά 90 μοίρες σε σχέση με την πόλωση των φωτονίων με ενέργεια Β. Το αποτέλεσμα είναι ένας περιπεπλεγμένος παλμός που είναι ένα "μακροσκοπική κατάσταση Bell" - εάν η πόλωση του Α φωτονίου μετράται ως κατακόρυφη, η πόλωση του Β φωτόνιο θα είναι οριζόντια και αντιστρόφως. Αυτή η ιδιότητα της πόλωσης συσχέτισης ισχύει για οποιαδήποτε επιλογή καταστάσεις πόλωσης: εάν ένα φωτόνιο Α έχει δεξιά κυκλική πόλωση, για παράδειγμα, το φωτόνιο Β γίνεται κυκλικά πολωμένο και ούτω καθεξής.
Μέτρηση της διεμπλοκής
Η επόμενη πρόκληση για την ομάδα είναι το πώς να δείξει ότι τα φωτόνια έχουν πράγματι διεμπλακεί. Αυτό γίνεται με τη διέλευση του παλμού μέσα από ένα τελικό διαιρέτη πολωτικής δέσμης, η οποία στέλνει φωτόνια με οριζόντια πόλωση προς ένα ανιχνευτή και φωτόνια με κάθετη πόλωση προς ένα δεύτερο ανιχνευτή.
Ο συνολικός αριθμός των φωτονίων σε κάθε παλμό μετριέται με τους ανιχνευτές και ο βαθμός στον οποίο ένας παλμός είναι πεπλεγμένος μπορεί να προσδιοριστεί με τον προσδιορισμό των συσχετισμών μεταξύ των σημάτων των δύο ανιχνευτών. Η ομάδα δεν ήταν σε θέση να εξετάσει την διεμπλοκή με τη χρήση της ανισότητας του Bell διότι η πρότυπη ανισότητα του Bell ισχύει μόνο για ζεύγη φωτονίων και δεν ισχύει στην προκειμένη περίπτωση. Η παράγωγος μιας μακροσκοπικής ανισότητας του Bell εξακολουθεί να αποτελεί πρόκληση. Ωστόσο, η ομάδα ήταν σε θέση να αποδείξει την εμπλοκή με την "κατάσταση διαχωρισμού", που ισχύει για τα εν λόγω συστήματα. Η ανάλυση αποκάλυψε ότι οι παλμοί είχαν μεγαλύτερο βαθμό συσχέτισης από την επιτρεπόμενη από την κλασσική φυσική και ήταν συνεπώς πεπλεγμένες.
Περισσότερα φωτόνια, περισσότερη διεμπλοκή
Οι ερευνητές υπολόγισαν επίσης μία παράμετρο του παλμού που ονομάζεται "αριθμός Schmidt", η οποία είναι ένα μέτρο του βαθμού διεμπλοκής εντός των παλμών. Βρήκαν ότι ο αριθμός των κλιμάκων είναι ως ο μέσος αριθμός των φωτονίων στον παλμό. Σύμφωνα με την ομάδα, αυτό σημαίνει ότι οι φωτεινότεροι παλμοί είναι πεπλεγμένοι περισσότερο από ό, τι οι όμοιοί τους με ασθενέστερη φωτεινότητα.
Ο Xiao-Qi Zhou του Πανεπιστημίου του Ηνωμένου Βασιλείου στο Μπρίστολ περιγράφει το set-up ως "μια πολύ έξυπνη μέθοδο για την ανίχνευση διεμπλοκής σε τέτοιες μεγάλες φωτονικές καταστάσεις". Προσθέτει δε: "Οι άνθρωποι ήξεραν ότι μια κατάσταση μεγάλου [πεπιεσμένου-κενού] είναι πεπλεγμένη, αλλά δεν ήξεραν πώς να το αποδείξουν πειραματικά."
Ο Zhou πιστεύει ότι η πιο πολλά υποσχόμενη εφαρμογή πεπλεγμένων παλμών είναι η "πρακτική κβαντική μετρολογία". Στα παραδείγματα περιλαμβάνονται το μικροσκόπιο φάσης καθώς και τα οπτικά γυροσκόπια.
Ο Chekhova λέει ότι οι παλμοί θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη διανομή κβαντικού κλειδιού (QKD), το οποίο χρησιμοποιεί για να επιτρέψει διεμπλοκή των δύο μερών να ανταλλάξουν πληροφορίες κωδικοποιημένες μυστικά. "Η κβαντική πληροφορία μπορεί να κωδικοποιηθεί σ'ένα αριθμό φωτονίων και στη συνέχεια σε ακτίνες Α και Β θα διανεμηθεί στους δύο χρήστες, εξηγεί. "Αυτό το πρωτόκολλο θα είναι παρόμοιο με το γνωστό πρωτόκολλο Ekert [QKD], με βάση ζεύγη φωτονίων, αλλά εδώ το αλφάβητο θα είναι μεγαλύτερο", προσθέτει.
Πηγή, physicsworld
Απόδοση, Δημήτρης Γιάκας
Το πείραμα της ομάδας ξεκινάει με έναν βομβαρδισμό με παλμό λέιζερ σε ένα πολωτικό διαχωριστή δέσμης, ο οποίος δημιουργεί δύο παλμούς με διαφορετικές πολώσεις. Αυτοί τροφοδοτούν δύο γραμμικούς κρυστάλλους και "αντλούν" τους κρυστάλλους. Χάρη στην μη γραμμική φύση των κρυστάλλων, ένα φωτόνιο σε ένα παλμό μπορεί να διασπαστεί σε ένα ζεύγος πεπλεγμένων φωτονίων με την ίδια πόλωση - αλλά με διαφορετικές ενέργειες (Α και Β). Το ένα φωτόνιο είναι στο υπέρυθρο και το άλλο είναι στο ορατό εύρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.
Η αρχική φθορά στον κρύσταλλο θα συμβεί αυθόρμητα και καθώς το πρώτο ζευγάρι φωτονίων ταξιδεύει μέσα από το κρύσταλλο θα προκαλέσει την εκπομπή άλλων ζευγών φωτονίων. Η επακόλουθη χιονοστιβάδα θα παράγει έναν παλμό φωτονίων που είναι όλα πεπλεγμένα σε αυτό που ονομάζεται κατάσταση "πεπιεσμένου-κενού". Ο παλμός συμπιέζεται επειδή ο αριθμός των φωτονίων σε παλμούς Α και Β συσχετίζονται με μεγαλύτερη ακρίβεια από ό, τι σε δύο τυπικούς παλμούς λέιζερ ίσης ενέργειας. Το τμήμα κενού του ορισμού, προέρχεται από το γεγονός ότι ο παλμός ξεκίνησε αυθόρμητα με μηδέν φωτόνια - κατάσταση κενού.
Οι παλμοί των πεπλεγμένων φωτονίων, από κάθε κρύσταλλο ανασυνδυάζονται τότε σε ένα δεύτερο διαχωριστή πόλωσης δέσμης για να δημιουργήσει ένα μοναδικό παλμό που είναι πολωμένος. Αυτός ο παλμός χειρίζεται χρησιμοποιώντας μία "διχροϊκή πλάκα", η οποία περιστρέφει την πόλωση των φωτονίων μιας ενέργειας - ας πούμε Α - κατά 90 μοίρες σε σχέση με την πόλωση των φωτονίων με ενέργεια Β. Το αποτέλεσμα είναι ένας περιπεπλεγμένος παλμός που είναι ένα "μακροσκοπική κατάσταση Bell" - εάν η πόλωση του Α φωτονίου μετράται ως κατακόρυφη, η πόλωση του Β φωτόνιο θα είναι οριζόντια και αντιστρόφως. Αυτή η ιδιότητα της πόλωσης συσχέτισης ισχύει για οποιαδήποτε επιλογή καταστάσεις πόλωσης: εάν ένα φωτόνιο Α έχει δεξιά κυκλική πόλωση, για παράδειγμα, το φωτόνιο Β γίνεται κυκλικά πολωμένο και ούτω καθεξής.
Μέτρηση της διεμπλοκής
Η επόμενη πρόκληση για την ομάδα είναι το πώς να δείξει ότι τα φωτόνια έχουν πράγματι διεμπλακεί. Αυτό γίνεται με τη διέλευση του παλμού μέσα από ένα τελικό διαιρέτη πολωτικής δέσμης, η οποία στέλνει φωτόνια με οριζόντια πόλωση προς ένα ανιχνευτή και φωτόνια με κάθετη πόλωση προς ένα δεύτερο ανιχνευτή.
Ο συνολικός αριθμός των φωτονίων σε κάθε παλμό μετριέται με τους ανιχνευτές και ο βαθμός στον οποίο ένας παλμός είναι πεπλεγμένος μπορεί να προσδιοριστεί με τον προσδιορισμό των συσχετισμών μεταξύ των σημάτων των δύο ανιχνευτών. Η ομάδα δεν ήταν σε θέση να εξετάσει την διεμπλοκή με τη χρήση της ανισότητας του Bell διότι η πρότυπη ανισότητα του Bell ισχύει μόνο για ζεύγη φωτονίων και δεν ισχύει στην προκειμένη περίπτωση. Η παράγωγος μιας μακροσκοπικής ανισότητας του Bell εξακολουθεί να αποτελεί πρόκληση. Ωστόσο, η ομάδα ήταν σε θέση να αποδείξει την εμπλοκή με την "κατάσταση διαχωρισμού", που ισχύει για τα εν λόγω συστήματα. Η ανάλυση αποκάλυψε ότι οι παλμοί είχαν μεγαλύτερο βαθμό συσχέτισης από την επιτρεπόμενη από την κλασσική φυσική και ήταν συνεπώς πεπλεγμένες.
Περισσότερα φωτόνια, περισσότερη διεμπλοκή
Οι ερευνητές υπολόγισαν επίσης μία παράμετρο του παλμού που ονομάζεται "αριθμός Schmidt", η οποία είναι ένα μέτρο του βαθμού διεμπλοκής εντός των παλμών. Βρήκαν ότι ο αριθμός των κλιμάκων είναι ως ο μέσος αριθμός των φωτονίων στον παλμό. Σύμφωνα με την ομάδα, αυτό σημαίνει ότι οι φωτεινότεροι παλμοί είναι πεπλεγμένοι περισσότερο από ό, τι οι όμοιοί τους με ασθενέστερη φωτεινότητα.
Ο Xiao-Qi Zhou του Πανεπιστημίου του Ηνωμένου Βασιλείου στο Μπρίστολ περιγράφει το set-up ως "μια πολύ έξυπνη μέθοδο για την ανίχνευση διεμπλοκής σε τέτοιες μεγάλες φωτονικές καταστάσεις". Προσθέτει δε: "Οι άνθρωποι ήξεραν ότι μια κατάσταση μεγάλου [πεπιεσμένου-κενού] είναι πεπλεγμένη, αλλά δεν ήξεραν πώς να το αποδείξουν πειραματικά."
Ο Zhou πιστεύει ότι η πιο πολλά υποσχόμενη εφαρμογή πεπλεγμένων παλμών είναι η "πρακτική κβαντική μετρολογία". Στα παραδείγματα περιλαμβάνονται το μικροσκόπιο φάσης καθώς και τα οπτικά γυροσκόπια.
Ο Chekhova λέει ότι οι παλμοί θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη διανομή κβαντικού κλειδιού (QKD), το οποίο χρησιμοποιεί για να επιτρέψει διεμπλοκή των δύο μερών να ανταλλάξουν πληροφορίες κωδικοποιημένες μυστικά. "Η κβαντική πληροφορία μπορεί να κωδικοποιηθεί σ'ένα αριθμό φωτονίων και στη συνέχεια σε ακτίνες Α και Β θα διανεμηθεί στους δύο χρήστες, εξηγεί. "Αυτό το πρωτόκολλο θα είναι παρόμοιο με το γνωστό πρωτόκολλο Ekert [QKD], με βάση ζεύγη φωτονίων, αλλά εδώ το αλφάβητο θα είναι μεγαλύτερο", προσθέτει.
Πηγή, physicsworld
Απόδοση, Δημήτρης Γιάκας
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου