"Τρομακτική" δράση με συνεστραμμένες δέσμες.

"Τρομακτική" δράση συστροφής από απόσταση ;

Φυσικοί στην Αυστρία έχουν επινοήσει μια νέα τεχνική για φωτόνια διεμπλοκής χρησιμοποιώντας την ιδιότητα της "τροχιακής στροφορμής". Οι ερευνητές λένε ότι το μεγαλύτερο ποσό τροχιακής στροφορμής, που κατάφεραν να μεταδώσουν στα φωτόνια ανοίγει το δρόμο για την διεμπλοκή και μακροσκοπικών αντικειμένων και επίσης θα μπορούσε να βρει εφαρμογές στην τηλεπισκόπηση και στους κβαντικούς υπολογιστές.

Η διεμπλοκή είναι η συνεκτικότητα μεταξύ δύο (ή περισσότερων) σωματίδιων, που δεν υφίσταται στην κλασσική φυσική. Αυτό σημαίνει ότι η μέτρηση της κβαντική κατάσταση ενός από τα δύο σωματίδια αυτόματα διορθώνει την κβαντική κατάσταση του δεύτερου σωματιδίου, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά και αν είναι τα σωματίδια - ένα φαινόμενο που ο Αϊνστάιν το ονόμασε περίφημα "τρομακτική δράση από απόσταση". Συχνά αυτό επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας την πόλωση φωτονίων - την κατεύθυνση της δόνησης του ηλεκτρικού πεδίου ενός φωτεινού κύματος - ούτως ώστε τα πεπλεγμένα ζεύγη φωτονίων να αναγκάζονται να δονηθούν σε ορθές γωνίες η μία με την άλλη, ακόμη και αν το καθένα από τα φωτόνια είναι τυχαία πολωμένο.

Πεπλεγμένα ζεύγη

Στην τελευταία έρευνα, των Anton Zeilinger, Robert Fickler και συνεργατών τους στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης πεπλεγμένα φωτόνια σε τροχιακή στροφορμή OAM (orbital angular momentum). Δίνοντας φωτόνια OAM σημαίνει συστροφή μετώπου κύματος μιας δέσμης έτσι ώστε καθώς η δέσμη ταξιδεύει προς τα εμπρός του μετώπου κύματος περιστρέφεται γύρω από τον άξονα διάδοσης. Αυτή η ιδιότητα έχει μελετηθεί καλά χρησιμοποιώντας ακτίνες λέιζερ και αξιοποιείται στα λεγόμενα οπτικά κλειδιά, που χρησιμοποιούν λέιζερ για να παγιδεύουν και να περιστρέφουν μικρά αντικείμενα. Αλλά η ομάδα Zeilinger ενδιαφερότανε ειδικά στο συνεστραμμένα φωτόνια διεμπλοκής. Με άλλα λόγια, την παραγωγή ζευγών των φωτονίων με αντίθετες κατευθύνσεις συστροφής. Αυτή η συστροφή αντιπροσωπεύεται από τον κβαντικό αριθμό λ - ο αριθμός των φορών που το μέτωπο κύματος περιστρέφεται γύρω από τον άξονα διάδοσης στο χώρο του ενός μήκους κύματος. "Ο στόχος του πειράματος ήταν να δούμε πόσο ψηλά θα μπορούσε να πάει ο αριθμός αυτός", λέει το μέλος της ομάδας Radek Lapkiewicz.

Άλλες ομάδες έχουν ήδη διεμπλέξει φωτόνια με OAM πυροδοτώντας ακτίνες λέιζερ πάνω σε «μη γραμμικούς» κρυστάλλους μεταγγίζοντας στη συνέχεια πολύ μικρό ποσοστό των φωτονίων που αυθόρμητα χωρίζονται στο εσωτερικό του κρυστάλλου να παράγει δύο χαμηλής ενέργειας πεπλεγμένα φωτόνια. Τα πεπλεγμένα φωτόνια μεταφέρουν ένα ευρύ φάσμα OAM. Αλλά, λέει ο Lapkiewicz, αυτή η προσέγγιση, που "περιορίζεται σε σχέση με αυτό που η φύση δίνει", η απόδοση ως προς τη τιμή μόνο μέχρι ~20.

Περιστρέφοντας γύρω-γύρω

Η αυστριακή ομάδα χρησιμοποίησε επίσης ένα μη γραμμικό κρύσταλλο να δημιουργήσει φωτόνια. Σε αυτή την περίπτωση, ωστόσο, τα φωτόνια είχαν εμπλακεί στην πόλωση και αυτή η διεμπλοκή εξυπηρετούσε μόνο ως ένα πρώτο βήμα. Το επόμενο βήμα ήταν να στείλει τα φωτόνια μέσα σε κάθε καθορισμένο ζευγάρι ειδικών οπτικών ινών και στη συνέχεια να τα μεταδώσει με OAM. Οι ερευνητές έκαναν αυτό υπερπηδώντας φωτόνια από μία μικροσκοπική οθόνη γνωστή ως χωρικό διαμορφωτή φωτός, το οποίο είναι μια συσκευή η οποία μεταβάλλει τη φάση του ανακλώμενου φωτός από σημείο σε σημείο, έτσι ώστε να έχουμε αλλαγή του σχήματος του μετώπου του κύματος δέσμης. Αυτή η παραμόρφωση του μετώπου κύματος εξαρτάται από την πόλωση των φωτονίων, έτσι ώστε τα πολωμένα φωτόνια σε μία κατεύθυνση να πάρουν ένα λάκτισμα από θετική OAM ενώ αυτά που είναι πολωμένα κάθετα να πάρουν αρνητικό λάκτισμα. Το καθαρό αποτέλεσμα ήταν να αλλάξει η διεμπλοκή των φωτονίων από τη μια πόλωση της σε ένα από τα OAM.

Χρησιμοποιώντας αυτήν την τεχνική, ο Zeilinger και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι μπορούσαν να λάβουν διαφορές σε κβαντικό αριθμό τόσο υψηλό όπως το 600 (με άλλα λόγια, l = 300 για ένα φωτόνιο και l = -300, από ένα άλλο). Ο Lapkiewicz επισημαίνει ότι αυτό είναι, θεωρητικό, δεν υπάρχει ανώτατο όριο φωτονίου / αξία, γεγονός που υποδηλώνει ότι ένα φωτόνιο - ένα κβαντικό αντικείμενο - θα μπορούσε να αποκτήσει όσο OAM ως ένα μακροσκοπικό αντικείμενο, που οδηγεί σε αυτό που αποκαλεί "ένταση μεταξύ του κβαντικού και του κλασικού κόσμου". Αλλά προειδοποιεί ότι το τρέχον αποτέλεσμα εξακολουθεί να είναι "πολλών τάξεων μεγέθους" πολύ μικρό για να περιστρέψουμε ακόμη και μικροσκοπικά αντικείμενα. Υποθέτει όμως, ότι μια τέτοια χειραγώγηση μπορεί μια μέρα να είναι δυνατή, συνδυάζοντας τη δυναμική πολλών φωτονίων να διεμπλακούν μαζί.

Απομακρυσμένες αισθήσεις και κβαντική πληροφορία

Η ομάδα Zeilinger λέει επίσης ότι η τεχνική θα μπορούσε να είναι χρήσιμη για τη διεξαγωγή τηλεπισκόπησης, ιδιαίτερα σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού απεικόνισης βιολογικών πειραμάτων. Η ιδέα θα ήταν να μετρήσει τις μικροσκοπικές περιστροφές συνδέοντας το περιστρεφόμενο αντικείμενο σε μια κυκλική μάσκα με τακτικά τοποθετημένες ακτινωτά σχισμές. Ένα φωτόνιο σε κάθε πεπλεγμένο ζεύγος θα πρέπει να του δοθεί υψηλή αξία OAM, ενώ το άλλο θα κρατήσει τη πόλωση του. Με τη μάσκα να τοποθετείται στη διαδρομή των φωτονίων OAM και περιστρέφεται πολύ ελαφρά, ο ρυθμός της ταυτόχρονης ανίχνευσης των δύο συνόλων φωτονίων θα αλλάξει. Το τέχνασμα είναι ότι ένας πολωτής τοποθετημένος στη διαδρομή των πολωμένων φωτονίων θα πρέπει να περιστρέφεται μέσα πολλές φορές με μεγαλύτερη γωνία για να καταγράφει την ίδια αλλαγή, έτσι πολλαπλασιάζοντας την ευαισθησία της μέτρησης ανάλογα με τις φορές.

Σύμφωνα με τον Lapkiewicz, η εργασία μπορεί επίσης να εφαρμοστεί σε κβαντικές πληροφορίες. Για παράδειγμα, λέει, θα μπορούσε να επιτρέψει κβαντικούς επεξεργαστές, που βασίζονται στην πολωμένη διεμπλοκή  για να συνδεθεί με αυτούς που εκμεταλλεύονται αντί OAM.

Ο Hans Bachor του Αυστραλιανού Εθνικού Πανεπιστημίου πιστεύει ότι η διεμπλοκή OAM "θα έχει σοβαρές συνέπειες τόσο για την επικοινωνία της κβαντικής πληροφορίας, όσο και σε πρωτόκολλα κβαντικής λογικής" και λέει ότι η ομάδα Zeilinger έχει κάνει "ένα σημαντικό βήμα μπροστά" σε αυτόν τον τομέα. Αλλά ισχυρίζεται ότι θα είναι ζωτικής σημασίας για να αποδειχθεί η διεμπλοκή με πολλούς τρόπους. "Αυτή η εργασία παρουσιάζει διεμπλοκή μεταξύ δύο τρόπων με πολύ διαφορετικούς κβαντικούς αριθμούς", προσθέτει. "Αυτό είναι σημαντικό, αλλά εξακολουθεί να είναι μόνο η διεμπλοκή με δύο τρόπους."

Η εργασία δημοσιεύεται στο Science.

Πηγή, PhysicsWorld

Απόδοση, Δημήτρης Γιάκας