Susipainioję fotonai luste | gamta

Susipainioję fotonai luste | gamta

Anonim

Dalykai

  • Kvantinė mechanika
  • Kvantinė optika

Naudojant fotoninius lustus, kad būtų galima valdyti pavienius fotonus bangolaidžiuose, yra daug žadantis kelias į technologijas, pagrįstas fotonų kvantinėmis savybėmis. Galimybė išmatuoti tokių lustų įsipainiojimą yra pagrindinis žingsnis ta linkme.

Nuo priešintuityvios kvantų įsipainiojimo savybės buvo intensyvių (meta) fizinių diskusijų tema nuo idėjos atsiradimo praėjusio amžiaus pradžioje. Einšteinas garsiai manė, kad dėl susipainiojimo kilęs „baisus veiksmas per atstumą“ reiškia, kad kvantinės mechanikos teorija buvo neišsami; vėliau ji pasirodė esanti sėkmingiausia teorija, kada nors išplėtota pagal jos nuspėjamąją galią. Tačiau įsipainiojimas ir kitos keistos kvantinės mechanikos savybės nėra vien mokslinis smalsumas. Visame pasaulyje tyrėjai bando juos panaudoti, kad įgytų precedento neturinčią galią ir funkcionalumą informacijos apdorojimo, saugaus ryšio ir tikslumo matavimo srityse. Rašymas fizinės apžvalgos laiškuose , Sansoni ir kt . 1 parodytas ypač patrauklus kvantų įsitvirtinimo tarp fotonų matavimo būdas, kuris šias kvantines technologijas dar labiau supažindina.

Tarp fizinių sistemų, naudojamų kvantinėms technologijoms kurti, fotonai yra ypač patrauklūs dėl mažo triukšmo (saugo informaciją), greito perdavimo ir lengvo manipuliavimo vieno fotono lygiu 2 . Jos yra būtinos kvantinei komunikacijai 3 ir kvantinei metrologijai 4, o atsižvelgiant į įvairius ilgalaikio kvantinio skaičiavimo 5 tikslus, fotonika yra pagrindinė kandidatė 6 .

Puikias kvantinės įsitvirtinimo savybes gražiai parodo du „poliarizacijos būdu įpinti“ fotonai. Poliarizacija yra kryptis, kuria svyruoja šviesos elektrinis laukas. Kai išmatuojama vieno iš fotonų poliarizacija, rezultatas yra visiškai neapibrėžtas - pusę laiko jis bus horizontalus, o kita pusė vertikali, arba pusė + 45 ° ir pusė –45 °, priklausomai nuo to, kuria kryptimi jis matuojamas. Tačiau to paties matavimo antrasis fotonas rezultatas yra tiksliai žinomas: jis duos tą patį rezultatą, kaip ir pirmasis fotonas, tokiu atveju matavimai yra puikiai koreliuojami; arba visada bus atvirkščiai (tai yra horizontaliai vertikaliai, + 45 ° vertei –45 ° ir pan.), tokiu atveju jie puikiai koreliuoja. (Ar jie puikiai koreliuoja, ar puikiai koreliuoja, priklauso nuo to, kaip tiksliai įsitvirtina fotonai.)

Pats savaime tai nėra taip nuostabu. Tokie ryšiai yra įprasti mūsų kasdienėje patirtyje. Pavyzdžiui, jūsų raktų buvimas jūsų kišenėje puikiai koreliuoja su tuo, kad jų nėra namuose ant kablio. Bet kai šie matavimai kartojami daugybe tokių identiškai paruoštų įstrigusių fotonų porų, nesvarbu, kokiu kampu matuojama poliarizacija (horizontalus, vertikalus, įstrižainė ir pan.), Matomos tos pačios tobulos koreliacijos - ir tai aiškiai prieštarauja intuityviai suprantant, kaip veikia pasaulis.

Sansoni ir jo kolegos 1 dabar demonstruoja tokio dviejų fotonų poliarizacijos įsitvirtinimo matavimą, naudojant integruotą bangolaidžio įtaisą, kuris apima bangolaidžio kanalus luste. Kanalai nukreipia šviesą taip pat, kaip ir telekomunikacijose naudojamus optinius pluoštus (per bendrą vidinį atspindį bangolaidėse), o prietaisas leidžia autoriams nustatyti poliarizacijos įstrigimo, kurį neša fotonų pora, tipą (1 pav. ).

Image

Pora fotonų yra paleidžiama į bangoskopinį pluošto skirstytuvą ant borosilikatinio stiklo drožlių. Išmatuojant, ar fotonai išeina iš atskirų bangolaidžių, ar kartu tame pačiame bangolaidyje, galima nustatyti fotonų įsipainiojusios įvesties būseną - singletą ar tripletą.

Visas dydis

Pagrindinė kliūtis fotonų pagrindu sukurtoms kvantinėms technologijoms ir, tiesą sakant, fundamentaliam kvantų mokslui su fotonais, yra fotoninių kvantinių grandinių, pagamintų iš birių optinių elementų (tokių kaip centimetro dydžio veidrodžiai ir spinduliuotės), kurie yra pritvirtinami prie didelių varžtų, konstravimas. su vibracija stabilizuotos optinės lentelės, kai fotonai sklinda laisvoje erdvėje. Šis požiūris yra sunkus, neišplečiamas ir ribotas. Neseniai šioms problemoms įveikti buvo naudojamos kvantinės grandinės, kuriose ant silicio drožlių yra silicio-stiklo bangolaidžiai 7, sekdami optinėms telekomunikacijoms skirtų prietaisų pėdomis. Ši alternatyvi technika buvo naudojama norint parodyti nedidelio masto kvantinės informacijos apdorojimo algoritmus 8, kvantinę metrologiją su ne daugiau kaip keturiais įsipainiojusiais fotonais 9 ir dviejų koreliuotų fotonų kvantinį „ėjimą“ 10 .

Tačiau visuose šiuose demonstracijose fotonų perduodama kvantinė informacija buvo užkoduota keliu - tai yra, fotonas, esantis viename bangolaidyje, naudojamas koduoti loginį bitą 0, o fotonas - antrame bangolaidyje, užkoduojantį loginį bitą 1. Šis kelio kodavimas nesuderinamas su dažniausiai naudojamu ir labai patogiu poliarizacijos kodavimu - pavyzdžiui, horizontalioji fotono poliarizacija 0 ir vertikali poliarizacija 1. Poliarizacijos kodavimo bangos ilgiuose naudojimas nėra paprastas, nes greitis, kuriuo sklinda šios dvi šviesos poliarizacijos. paprastai yra šiek tiek kitoks dėl efekto, vadinamo dvigubu lūžiu, kurį sukelia geometrija ir (arba) medžiagos, iš kurių pagaminti bangolaidžiai. Šis dvipusis trūkumas keičia bangolaidyje sklindančių fotonų poliarizacijos būseną, pavyzdžiui, nuo įstrižainės iki apskritimo, ir galiausiai fotonus gali depoliarizuoti, ribodamas jų įsikišimą ir prarasdamas informaciją.

Alternatyvus bangolaidžių konstravimo būdas, naudojamas Sansoni ir kt . 1, reiškia, kad galingas impulsinio lazerio spindulys turi būti tiksliai sufokusuotas ant tokios medžiagos kaip stiklas ir taip visam laikui keičiant medžiagos savybes, kad būtų sukurtas bangolaidis. Nuskaitydami sufokusuoto taško aplink mėginį padėtį, bangos bangos gali būti tiesiogiai užrašomos visose trijose mėginio dimensijose. Tokiu būdu buvo sudarytos kvantinės fotoninės grandinės su žiediniais bangolaidžiais 11 - tai rodo, kad bangolaidžiai pasižymės mažu dvibryžiškumu ir galės palaikyti poliarizacijos kodavimą. Savo tyrime Sansoni ir kt . 1 parodykite, kad toks požiūris iš tiesų gali sukelti bangos bangas, palaikančias poliarizacijos kodavimą.

Jie panaudojo šią techniką, kad ant stiklo drožlių būtų pagaminti du bangolaidžiai ir juos būtų galima arti parodyti, todėl buvo pagamintas prietaisas, vadinamas kryptiniu jungikliu, kuris veikia kaip šviesos srauto skirstytuvas: jis atspindi pusę kritusios šviesos ir perduoda kitą pusę. Kai į du bangolaidžius buvo paleista įsipainiojusi fotonų pora, buvo galima nustatyti į prietaisą įpurškto įsitvirtinimo simetriją - techniškai vadinamą „singuliarine“ ar „triguba“ būsenomis. Taip yra todėl, kad jungtyje esančios singuliarinės būsenos „anti-pluoštai“ yra tokie, kad fotonai išeina iš kiekvieno išėjimo bangovado atskirai, o tripleto būsenos „pluoštas“ yra toks, kad abu fotonai išeina tame pačiame bangolaidyje (1 pav.).

Šis su poliarizacija suderinamas požiūris į mikroschemoje integruotą kvantinę fotoniką turi didelį potencialą būti sujungtas su standartiniais fotoninio susipainiojimo generavimo ir matavimo metodais. Kaip pabrėžia autoriai 1, tai turėtų padaryti daug paprastesnį sudėtingesnių daugiafotonių kvantinių schemų, tokių kaip įsipainiojimo filtrai 12, ir dar tobulesnių grandinių įgyvendinimą. Tačiau integruoti įtaisai, galintys atlikti poliarizacijos sukimąsi pagal analogiją su dideliais optiniais atitikmenimis - „integruotosiomis bangos plokštėmis“, - galiausiai bus lemiamos reikšmės, kaip ir būdas toliau miniatiūrizuoti šias grandines, kad būtų įmanoma atlikti dideles kvantines fotonines grandines. Kaip ir visais požiūriais į kvantinių fotonų technologijas, svarbiausias reikalavimas ir jų integracija su kvantinėmis grandinėmis išlieka svarbiausias reikalavimas - vieno fotono šaltiniai ir detektoriai 2 .

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.