Intialaiset tutkijat ovat osoittaneet, että fotonien takertuminen tietyllä jatkuvan muuttujan pohjalla herää itsestään, kun fotonit etenevät pois lähteestään. Löytö voi osoittautua hyödylliseksi kvanttitiedon turvallisessa siirtämisessä pitkiä matkoja ja kvanttikuvaukseen turbulentissa mediassa.
Fyysikot tutkivat laajasti fotonien välistä kvanttikietoutumista, usein kehittääkseen uusia kvanttitekniikoita laskentaan, viestintään, tunnistusta ja kuvantamista varten. Jotkut mahdolliset sovellukset vaativat sotkeutuneiden fotonien lähettämistä pitkiä matkoja tai myrskyisissä ympäristöissä ilman häviötä. Tällä hetkellä on kuitenkin erittäin hankalaa säilyttää tietyntyyppinen sotkeutuminen näissä olosuhteissa – ja menestys voi riippua monista tekijöistä, mukaan lukien siitä, kuinka kvanttitieto on koodattu fotoniin.
Nyt Anand Jha ja kollegat Quantum Optics and Entanglement Laboratory Intian teknologiainstituutissa Kanpur ovat tarjonneet mahdollisen ratkaisun käyttämällä fotonien kulma-asemia tiedon koodaamiseen. He havaitsivat, että takertuminen näyttää katoavan fotonien leviämisen myötä, mutta sitten se ilmestyy oudolla tavalla uudelleen. He osoittivat myös, että sotkeutumisen elpyminen tapahtuu jopa sen jälkeen, kun fotonit kulkevat pyörteisen ilman läpi, mikä normaalisti tuhoaisi sotkeutumisen. He kuvaavat tutkimustaan Tiede ennakot.
Fotonien sotkeutuminen
Fotoneilla on monia erilaisia vapausasteita, joita voidaan käyttää kvanttiinformaation koodaamiseen. Valinta riippuu koodattavan tiedon tyypistä. Kubiteille voidaan käyttää diskreettejä ominaisuuksia, kuten fotonin polarisaatiota tai orbitaalista kulmamomenttia. Mutta joskus, erityisesti tunnistus- ja kuvantamistarkoituksiin, on parempi koodata kvanttitietoa jatkuvasti. Tällaisissa sovelluksissa tutkituin kietoutunut ominaisuus – tai ”perus” – on fotonin sijainti sen suorakulmaisten koordinaattien avulla.
Kvanttikietoutumisilmiö antaa hiukkasille läheisemmän suhteen kuin klassinen fysiikka sallii, ja se on riippumaton siitä, millä perusteella kvanttiinformaatiota koodataan. Tapa, jolla kietoutumista käytetään tai mitataan kokeessa, ei kuitenkaan välttämättä ole perustasta riippumaton. Tämä koskee kietoutumisen "todistajaa", joka on matemaattinen suure, joka määrittää, onko järjestelmä sotkeutunut. Todistajat ovat perustusriippuvaisia jatkuvien tukikohtien osalta, ja tämä riippuvuus tarkoittaa, että tietyt jatkuvan sotkeutumisen tyypit voivat olla hyödyllisempiä kuin toiset.
Asento-momentti-periaatteella takertuminen, nähtynä todistajan läpi, kuolee hyvin nopeasti, kun fotonit etenevät pois lähteestään. Tämän kiertämiseksi tutkijat yleensä kuvaavat itse lähteen käyttääkseen fotonien välistä sotkeutumista. Kaikki turbulenssit polulla tuhoavat myös nopeasti sotkeutumisen, mikä vaatii monimutkaisia ratkaisuja, kuten adaptiivista optiikkaa, elvyttääkseen sen. Nämä lisäkorjausvaiheet rajoittavat näiden takertuneiden fotonien käyttökelpoisuutta.
Tämä Jhan ja kollegoiden uusin tutkimus tutkii, kuinka takertuminen voidaan säilyttää käyttämällä siihen läheisesti liittyvää vaihtoehtoista perustaa - fotonin kulma-asentoa.
Kietoutumisen synnyttäminen, menettäminen ja elvyttäminen
Kokeessaan tutkijat synnyttivät sotkeutuneita fotoneja lähettämällä valoa suuritehoisesta "pumppulaseerista" epälineaariseen kiteeseen. Olosuhteissa, joissa fotonien energiat ja momentti säilyvät, yksi pumppufotoni tuottaa kaksi sotkeutunutta fotonia prosessissa, jota kutsutaan spontaaniksi parametriseksi alasmuunnokseksi (SPDC). Nämä kaksi fotonia ovat kietoutuneet kaikkiin ominaisuuksiensa. Jos esimerkiksi fotoni havaitaan yhdessä paikassa, toisen kietoutuvan fotonin sijainti määritetään automaattisesti. Korrelaatio on olemassa myös muille suureille, kuten liikemäärälle, kulma-asemalle ja kiertoradan kulmamomentille.
Todistajan läpi ilman korjaavia toimenpiteitä tutkijat havaitsivat, että fotonien välinen asemakietoutuminen katoaa noin 4 cm:n etenemisen jälkeen. Toisaalta jotain mielenkiintoista tapahtuu kulma-asennon sotkeutumiseen. Se katoaa noin 5 cm etenemisen jälkeen, mutta kun fotonit ovat kulkeneet vielä 20 cm, takertuminen ilmaantuu uudelleen (katso kuva). Tutkijat vahvistivat kokeelliset tulokset laadullisesti numeerisella mallilla.
Tislausmenetelmä vahvistaa kvanttikietoutumista yhteen fotonipariin
Sama suuntaus havaittiin, kun ryhmä loi myrskyisän ympäristön takertuneiden fotonien tielle. Tämä tehtiin puhalluslämmittimellä ilman sekoittamiseksi ja sen taitekertoimen muuttamiseksi. Tässä tapauksessa takertuminen elvytettiin sen jälkeen, kun valo oli levinnyt pidemmän matkan, noin 45 cm.
Vielä ei täysin tiedetä, mikä aiheuttaa sotkeutumisen kulma-asentoperustassa uudelleen ilmaantumisen. Pohja on erityinen, koska se kiertyy ympärilleen täyden ympyrän jälkeen. Se on yksi sen erottavista tekijöistä Jha:n mukaan.
Vaikka tutkimus osoittaa kestävyyttä alle metrin etäisyyksillä, Jha ja kollegat väittävät, että elpyminen on mahdollista myös kilometrien etäisyyksillä. Tämä voisi mahdollistaa kvanttiinformaation välittämisen ilmakehän turbulenssin kautta tuhoamatta sotkeutumista. Turbulenssin aiheuttama kestävyys voisi myös mahdollistaa esineiden kvanttikuvauksen sumeissa biokemiallisissa ympäristöissä minimaalisella invaasiolla tai tuholla.
