Kvante-"yin og yang"-fotoner fanget i realtid
Det er lykkedes forskere at visualisere såkaldte sammenfiltrede fotoner på rekordtid – noget der normalt tager flere dage.
Selvom kvantemekanikken og -fysikken, som vi kender den i dag, har godt 100 år på bagen, er der stadig meget, vi ikke forstår af denne mikroskopiske verden.
I de senere år har ny teknologi taget et, ja, kvantespring, så fysikere kan undersøge partikler på nært hold, og bruge dem i moderne teknologi som kvantecomputere.
Et af de mere eksotiske områder af kvantefysikken er den såkaldte kvantesammenfiltring, som fysikere meget gerne vil forstå nærmere, men som det kan være svært at observere.
Nu har forskere fra University of Ottawa i Canada og Sapienza University of Rome i Italien udviklet en ny teknik, som kan visualisere denne sammenfiltring på rekordtid.
Ved hjælp af en metode, de kalder bifoton digital holografi, beskriver de i en artikel i tidsskriftet Nature Photonics, hvordan de har skabt et yin-yang-lignende billede af to sammenfiltrede lyspartikler i realtid.
Svært at fange kvantesammenfiltring
Kort fortalt er kvantesammenfiltring en forbindelse mellem to lignende partikler, selvom afstanden imellem dem er stor.
Det gør det muligt for eksempelvis to lyspartikler – også kaldet fotoner – at være forbundet med hinanden over enorme afstande, så når der sker en ændring i den ene partikel, så sker der en lignende ændring i den anden.
For at kunne forudsige, hvordan et kvanteobjekt som fotoner opfører sig, er fysikere nødt til at finde objektets bølgefunktion.
Denne bølgefunktion er en beskrivelse af partiklens tilstand, som på kvanteniveau eksisterer i en såkaldt superposition. Det betyder, at partiklen kan være i alle fysiske tilstande på en gang.
Ved at bruge en såkaldt bifoton digital holografi-metode til at måle en kvantesammenfiltring mellem to lyspartikler kunne forskere rekonstruere dette yin og yang-lignende billede af sammenfiltringen.
At finde bølgefunktionen for to forbundne partikler er derfor en stor udfordring, da enhver måling af den ene partikel forårsager en øjeblikkelig ændring i den anden.
For at løse denne udfordring bruger fysikere en metode kaldet kvantetomografi, der kan skabe tredimensionelle rekonstruktioner af partikler gennem målinger.
Derfor skal fysikerne tage mange målinger af partiklernes kvantetilstand, og jo mere kompleks tilstanden er, des flere målinger. Herfra kan de så rekonstruere et 3D-objekt af sammenfiltringen ud fra projektioner.
I en pressemeddelelse sammenligner forskerne det med, at et 3D-objekt genskabes ud fra de 2D-skygger, som kastes på væggene, når der lyses på det oprindelige objekt.
Denne metode giver både rigtige resultater, men det skaber også en masse resultater, som ikke er fysisk mulige, og som derfor skal sorteres fra, for at få et præcist billede, og denne proces kan tage op til flere dage.
Yin-yang-sammenfiltring
Og så er vi endelig fremme ved den nye bifoton digital holografi-metode. Hologrammer er 2D-visualiseringer af 3D-objekter.
Optiske hologrammer bruger derfor to lysstråler til at skabe et 3D-billede. Den ene stråle rammer objektet, der reflekterer strålen. Den anden stråle lyser på et kamera med ultrahøj præcision.
Hologrammet dannes ud fra mønsteret en såkaldt lysinterferens, som er et mønster, hvor de to lysbølgers toppe og dale lægges sammen eller ophæver hinanden.
Ved at bruge denne metode og bruge et nanosekundpræcist kamera, kunne forskerne adskille det modtagne interferensmønster, ved at sætte den ukendte kvantetilstand op mod en kendt tilstand, og afsløre den yin-yang-lignende rekonstruktion af de to sammenfiltrede fotoner.
"Denne metode er eksponentielt hurtigere end tidligere teknikker og kræver kun minutter eller sekunder i stedet for dage," fortæller Alessio D'Errico, der er postdoc ved University of Ottawa og en del af forskningsholdet, i pressemeddelelsen.
Kvantesammenfiltring er en af grundelementerne i kvantecomputere. En større forståelse af sammenfiltring kan give mere stabile kvantecomputere.
Forskerne skriver i deres artikel, at yin-yang-formen er opstået ved et tilfælde på grund af de optiske lysstrålers vinkel. I kinesisk filosofi symboliserer yin og yang modsætninger, der er forbundne såsom lys og mørke, nat og dag.