Ερευνητές στην Ινδία έχουν δείξει ότι η εμπλοκή φωτονίων σε μια συγκεκριμένη βάση συνεχούς μεταβλητής αναβιώνει καθώς τα φωτόνια διαδίδονται μακριά από την πηγή τους. Η ανακάλυψη θα μπορούσε να αποδειχθεί χρήσιμη για την ασφαλή μετάδοση κβαντικών πληροφοριών σε μεγάλες αποστάσεις και για την κβαντική απεικόνιση σε τυρβώδη μέσα.
Η κβαντική εμπλοκή μεταξύ φωτονίων διερευνάται εκτενώς από τους φυσικούς, συχνά για την ανάπτυξη νέων κβαντικών τεχνολογιών για υπολογιστές, επικοινωνία, αίσθηση και απεικόνιση. Ορισμένες πιθανές εφαρμογές απαιτούν αποστολή μπερδεμένων φωτονίων σε μεγάλες αποστάσεις ή μέσα από ταραχώδη περιβάλλοντα χωρίς απώλειες. Ωστόσο, είναι επί του παρόντος πολύ δύσκολο να διατηρηθούν ορισμένοι τύποι εμπλοκής υπό αυτές τις συνθήκες – και η επιτυχία μπορεί να εξαρτηθεί από πολλούς παράγοντες, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου με τον οποίο κωδικοποιούνται οι κβαντικές πληροφορίες στα φωτόνια.
Τώρα Ανάντ Τζα και συναδέλφους στο Εργαστήριο Κβαντικής Οπτικής και Διαπλοκής στο Ινδικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας Kanpur έχουν δώσει μια πιθανή λύση χρησιμοποιώντας τις γωνιακές θέσεις των φωτονίων για την κωδικοποίηση πληροφοριών. Παρατήρησαν ότι η εμπλοκή φαίνεται να εξαφανίζεται καθώς τα φωτόνια διαδίδονται, αλλά μετά παραδόξως επανεμφανίζεται. Έδειξαν επίσης ότι η αναβίωση της εμπλοκής συμβαίνει ακόμη και αφού τα φωτόνια ταξιδέψουν μέσα από τυρβώδη αέρα, που κανονικά θα κατέστρεφε τη εμπλοκή. Περιγράφουν την έρευνά τους στο Προκαταβολές Επιστήμη.
Εμπλοκή φωτονίων
Τα φωτόνια έχουν πολλούς διαφορετικούς βαθμούς ελευθερίας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κωδικοποίηση κβαντικών πληροφοριών. Η επιλογή εξαρτάται από το είδος των πληροφοριών που πρέπει να κωδικοποιηθούν. Για τα qubits, μπορούν να χρησιμοποιηθούν διακριτές ιδιότητες όπως η πόλωση ή η τροχιακή γωνιακή ορμή ενός φωτονίου. Αλλά μερικές φορές, ειδικά για σκοπούς ανίχνευσης και απεικόνισης, είναι προτιμότερο να κωδικοποιούνται οι κβαντικές πληροφορίες πιο συνεχόμενα. Σε τέτοιες εφαρμογές, η πιο εξερευνημένη εμπλεκόμενη ιδιότητα - ή "βάση" - είναι η θέση ενός φωτονίου που δίνεται από τις καρτεσιανές συντεταγμένες του.
Το φαινόμενο της κβαντικής εμπλοκής προσδίδει στα σωματίδια μια στενότερη σχέση από ό,τι επιτρέπεται από την κλασική φυσική και είναι ανεξάρτητο από το ποια συγκεκριμένη βάση χρησιμοποιείται για την κωδικοποίηση κβαντικών πληροφοριών. Ωστόσο, ο τρόπος με τον οποίο χρησιμοποιείται ή μετράται η εμπλοκή σε ένα πείραμα μπορεί να μην είναι ανεξάρτητος από τη βάση. Αυτό ισχύει για έναν «μάρτυρα» εμπλοκής, που είναι ένα μαθηματικό μέγεθος που καθορίζει εάν ένα σύστημα είναι μπλεγμένο. Οι μάρτυρες εξαρτώνται από τη βάση για συνεχείς βάσεις και αυτή η εξάρτηση σημαίνει ότι ορισμένοι τύποι συνεχούς εμπλοκής μπορεί να είναι πιο χρήσιμοι από άλλους.
Για τη βάση θέσης-ορμής, η εμπλοκή, όπως φαίνεται από τον μάρτυρα, εξαφανίζεται πολύ γρήγορα καθώς τα φωτόνια διαδίδονται μακριά από την πηγή τους. Για να ξεπεράσουν αυτό, οι επιστήμονες συνήθως απεικονίζουν την ίδια την πηγή για να χρησιμοποιήσουν την εμπλοκή μεταξύ των φωτονίων. Οποιαδήποτε αναταραχή στη διαδρομή καταστρέφει επίσης γρήγορα την εμπλοκή, απαιτώντας πολύπλοκες λύσεις όπως προσαρμοστική οπτική για να την αναζωογονήσει. Αυτά τα πρόσθετα διορθωτικά βήματα περιορίζουν τη χρησιμότητα αυτών των μπερδεμένων φωτονίων.
Αυτή η τελευταία έρευνα από τον Jha και τους συνεργάτες του διερευνά πώς η εμπλοκή μπορεί να διατηρηθεί χρησιμοποιώντας μια στενά συνδεδεμένη εναλλακτική βάση - τη γωνιακή θέση ενός φωτονίου.
Δημιουργία, απώλεια και αναβίωση της διαπλοκής
Στο πείραμά τους, οι ερευνητές δημιούργησαν μπερδεμένα φωτόνια στέλνοντας φως από ένα λέιζερ υψηλής ισχύος «αντλίας» σε έναν μη γραμμικό κρύσταλλο. Υπό συνθήκες όπου διατηρούνται οι ενέργειες και η ροπή των φωτονίων, ένα φωτόνιο αντλίας θα παράγει δύο εμπλεκόμενα φωτόνια σε μια διαδικασία που ονομάζεται αυθόρμητη παραμετρική καθοδική μετατροπή (SPDC). Τα δύο φωτόνια είναι μπλεγμένα σε όλες τους τις ιδιότητες. Εάν ανιχνευτεί ένα φωτόνιο σε μια θέση, για παράδειγμα, η θέση του άλλου εμπλεκόμενου φωτονίου προσδιορίζεται αυτόματα. Η συσχέτιση υπάρχει και για άλλα μεγέθη, όπως η ορμή, η γωνιακή θέση και η τροχιακή γωνιακή ορμή.
Όπως φαίνεται από τον μάρτυρα χωρίς διορθωτικά μέτρα, οι ερευνητές παρατήρησαν ότι η εμπλοκή θέσης μεταξύ φωτονίων εξαφανίζεται μετά από περίπου 4 cm διάδοσης. Από την άλλη, κάτι ενδιαφέρον συμβαίνει για την εμπλοκή γωνιακής θέσης. Εξαφανίζεται μετά από περίπου 5 cm διάδοσης, αλλά αφού τα φωτόνια έχουν ταξιδέψει άλλα 20 cm, εμφανίζεται ξανά η εμπλοκή (βλ. εικόνα). Οι ερευνητές επιβεβαίωσαν τα πειραματικά τους αποτελέσματα ποιοτικά με ένα αριθμητικό μοντέλο.
Η μέθοδος απόσταξης ενισχύει την κβαντική εμπλοκή σε ένα μόνο ζεύγος φωτονίων
Η ίδια τάση παρατηρήθηκε όταν η ομάδα δημιούργησε ένα ταραχώδες περιβάλλον στην πορεία των εμπλεκόμενων φωτονίων. Αυτό έγινε με τη χρήση ενός θερμαντήρα αέρα για να αναδευτεί ο αέρας και να αλλάξει ο δείκτης διάθλασής του. Σε αυτή την περίπτωση, η εμπλοκή αναβίωσε αφού το φως είχε διαδοθεί για μεγαλύτερη απόσταση περίπου 45 cm.
Δεν είναι ακόμη πλήρως γνωστό τι προκαλεί την επανεμφάνιση της εμπλοκής στη βάση της γωνιακής θέσης. Η βάση είναι ιδιαίτερη γιατί τυλίγεται μετά από έναν πλήρη κύκλο. Αυτός είναι ένας από τους παράγοντες που διακρίνουν, σύμφωνα με τον Jha.
Παρόλο που η μελέτη δείχνει στιβαρότητα σε αποστάσεις μικρότερες από ένα μέτρο, ο Jha και οι συνεργάτες του ισχυρίζονται ότι η αναβίωση είναι δυνατή και σε χιλιομετρικές αποστάσεις. Αυτό θα μπορούσε να καταστήσει δυνατή τη μετάδοση κβαντικών πληροφοριών μέσω ατμοσφαιρικών αναταράξεων χωρίς να καταστρέφεται η εμπλοκή. Η ευρωστία μέσω των αναταράξεων θα μπορούσε επίσης να επιτρέψει την κβαντική απεικόνιση αντικειμένων σε ασαφή βιοχημικά περιβάλλοντα με ελάχιστη εισβολή ή καταστροφή.
