Forskare i Indien har visat att fotonintrassling i en viss kontinuerlig-variabel bas återupplivar sig själv när fotonerna fortplantar sig bort från sin källa. Upptäckten kan visa sig användbar för säker överföring av kvantinformation över långa avstånd och för kvantavbildning i turbulenta medier.
Kvantintrassling mellan fotoner undersöks flitigt av fysiker, ofta för att utveckla nya kvantteknologier för beräkning, kommunikation, avkänning och avbildning. Vissa potentiella tillämpningar kräver att intrasslade fotoner skickas över långa avstånd eller genom turbulenta miljöer utan förlust. Men det är för närvarande mycket knepigt att bevara vissa typer av intrassling under dessa omständigheter – och framgång kan bero på många faktorer, inklusive hur kvantinformationen är kodad i fotonerna.
Nu Anand Jha och kollegor på Quantum Optics and Entanglement Laboratory vid Indian Institute of Technology Kanpur har tillhandahållit en möjlig lösning genom att använda fotonernas vinkelpositioner för att koda information. De observerade att intrassling verkar försvinna när fotonerna fortplantar sig, men att de sedan konstigt nog dyker upp igen. De visade också att återupplivandet av intrassling sker även efter att fotonerna färdats genom turbulent luft, vilket normalt skulle förstöra intrassling. De beskriver sin forskning i Vetenskap Förskott.
Foton intrassling
Fotoner har många olika frihetsgrader som kan användas för att koda kvantinformation. Valet beror på vilken typ av information som måste kodas. För qubits kan diskreta egenskaper såsom polarisationen eller den orbitala rörelsemängden för en foton användas. Men ibland, särskilt för avkännings- och avbildningsändamål, är det bättre att koda kvantinformation mer kontinuerligt. I sådana applikationer är den mest utforskade intrasslade egenskapen – eller "basen" – positionen för en foton som ges av dess kartesiska koordinater.
Fenomenet kvantintrassling ger partiklar en närmare relation än vad klassisk fysik tillåter och är oberoende av vilken speciell grund som används för att koda kvantinformation. Det sätt på vilket intrassling används eller mäts i ett experiment kanske inte är basoberoende. Detta gäller ett förvecklings-”vittne”, vilket är en matematisk storhet som avgör om ett system är intrasslat. Vittnen är basberoende för kontinuerliga baser och detta beroende gör att vissa typer av kontinuerliga förvecklingar kan vara mer användbara än andra.
För position-momentum-basis, dör förvecklingen, sett genom vittnet, ut mycket snabbt när fotonerna fortplantar sig bort från sin källa. För att komma runt detta avbildar forskare vanligtvis själva källan för att använda intrassling mellan fotoner. Eventuell turbulens i banan förstör också snabbt förvecklingen, vilket kräver komplexa lösningar som adaptiv optik för att återuppliva den. Dessa ytterligare korrigerande steg begränsar användbarheten av dessa intrasslade fotoner.
Den här senaste forskningen av Jha och kollegor undersöker hur intrassling kan bevaras genom att använda en närbesläktad alternativ bas – en fotons vinkelposition.
Generera, förlora och återuppliva förveckling
I sitt experiment genererade forskarna intrasslade fotoner genom att skicka ljus från en "pump"-laser med hög effekt in i en olinjär kristall. Under förhållanden där fotonernas energier och moment är bevarade, kommer en pumpfoton att producera två intrasslade fotoner i en process som kallas spontan parametrisk nedkonvertering (SPDC). De två fotonerna är intrasslade i alla sina egenskaper. Om en foton detekteras på en plats, till exempel, bestäms positionen för den andra intrasslade fotonen automatiskt. Korrelationen finns även för andra storheter, såsom momentum, vinkelposition och orbital vinkelmomentum.
Som sett genom vittnet utan några korrigerande åtgärder, observerade forskarna att positionsintrassling mellan fotoner försvinner efter cirka 4 cm av utbredning. Å andra sidan händer något intressant för vinkelpositionsintrassling. Den försvinner efter cirka 5 cm av utbredning, men efter att fotonerna har färdats ytterligare 20 cm uppstår igen trassling (se figur). Forskarna bekräftade sina experimentella resultat kvalitativt med en numerisk modell.
Destillationsmetoden stärker kvantintrasslingen i ett enda par fotoner
Samma trend observerades när teamet skapade en turbulent miljö i de intrasslade fotonernas väg. Detta gjordes med hjälp av en blåsvärmare för att röra upp luften och ändra dess brytningsindex. I det här fallet återupplivades intrasslingen efter att ljuset hade fortplantat sig en längre sträcka på cirka 45 cm.
Det är ännu inte helt känt vad som gör att intrasslingen i vinkelpositionsbasen återkommer. Grunden är speciell eftersom den sveper runt efter en hel cirkel. Det är en av dess utmärkande faktorer, enligt Jha.
Även om studien visar robusthet över avstånd på mindre än en meter, hävdar Jha och kollegor att återupplivningen är möjlig även över kilometeravstånd. Detta skulle kunna göra det möjligt att överföra kvantinformation genom atmosfärisk turbulens utan att förstöra intrassling. Robusthet genom turbulens kan också möjliggöra kvantavbildning av objekt i luddiga biokemiska miljöer med minimal invasion eller förstörelse.
