Визуализация таинственного танца: квантовая запутанность фотонов, запечатленная в реальности

21 августа 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Университетом Оттавы

Исследователи из Университета Оттавы в сотрудничестве с Данило Зией и Фабио Шаррино из Римского университета Сапиенца недавно продемонстрировали новую технику, которая позволяет визуализировать волновую функцию двух запутанных фотонов, элементарных частиц, составляющих свет, в реальном времени. время.

Используя аналогию с парой обуви, концепцию запутывания можно сравнить со случайным выбором обуви. В тот момент, когда вы идентифицируете один ботинок, мгновенно распознается природа другого (левого или правого ботинка), независимо от его местоположения во Вселенной. Однако интригующим фактором является присущая процессу идентификации неопределенность до момента наблюдения.

Волновая функция, центральный принцип квантовой механики, обеспечивает всестороннее понимание квантового состояния частицы. Например, в примере с обувью «волновая функция» обуви может нести такую ​​информацию, как лево или право, размер, цвет и т. д.

Точнее, волновая функция позволяет квантовым ученым предсказывать вероятные результаты различных измерений квантового объекта, например положения, скорости и т. д.

Эта способность прогнозирования неоценима, особенно в быстро развивающейся области квантовых технологий, где знание квантового состояния, которое генерируется или вводится в квантовый компьютер, позволит протестировать сам компьютер. Более того, квантовые состояния, используемые в квантовых вычислениях, чрезвычайно сложны и включают в себя множество объектов, которые могут демонстрировать сильные нелокальные корреляции (запутывание).

Знание волновой функции такой квантовой системы является сложной задачей, ее также называют томографией квантовых состояний или сокращенно квантовой томографией. При стандартных подходах (основанных на так называемых проективных операциях) полная томография требует большого количества измерений, которое быстро увеличивается с увеличением сложности (размерности) системы.

Предыдущие эксперименты, проведенные с использованием этого подхода исследовательской группой, показали, что описание или измерение многомерного квантового состояния двух запутанных фотонов может занять часы или даже дни. Кроме того, качество результата весьма чувствительно к шуму и зависит от сложности экспериментальной установки.

Подход к проективным измерениям в квантовой томографии можно рассматривать как наблюдение теней многомерного объекта, проецируемых на разные стены с независимых направлений. Все, что может видеть исследователь, — это тени, и по ним он может сделать вывод о форме (состоянии) всего объекта. Например, при КТ (компьютерной томографии) информация о 3D-объекте может быть восстановлена ​​из набора 2D-изображений.

Однако в классической оптике есть другой способ восстановить трехмерный объект. Это называется цифровой голографией и основано на записи одного изображения, называемого интерферограммой, полученного путем интерференции света, рассеянного объектом, с эталонным светом.

Команда, возглавляемая Эбрахимом Карими, канадским заведующим кафедрой исследований структурированных квантовых волн, содиректором исследовательского института uOttawa Nexus for Quantum Technologies (NexQT) и доцентом факультета естественных наук, распространила эту концепцию на случай двух фотонов.

Чтобы восстановить бифотонное состояние, необходимо наложить его на предположительно хорошо известное квантовое состояние, а затем проанализировать пространственное распределение положений, в которые одновременно приходят два фотона. Изображение одновременного прибытия двух фотонов известно как изображение совпадения. Эти фотоны могут исходить из эталонного или неизвестного источника. Квантовая механика утверждает, что источник фотонов не может быть идентифицирован.