Μια νέα τεχνική, που βασίζεται σε προηγμένη τεχνολογία κάμερας, επιδεινύει μια γρήγορη και αποτελεσματική προσέγγιση για την ανακατασκευή της πλήρους κβαντικής κατάστασης εναγκαλισμένων σωματιδίων.
Ερευνητές του Πανεπιστημίου της Οτάβα, σε συνεργασία με τους Danilo Zia και Fabio Sciarrino από το Πανεπιστήμιο Sapienza της Ρώμης, παρουσίασαν πρόσφατα μια νέα τεχνική που επιτρέπει την απεικόνιση, σε πραγματικό χρόνο, της κυματοσυνάρτησης δύο εναγκαλισμένων φωτονίων, των στοιχειωδών σωματιδίων που αποτελούν το φως.
Χρησιμοποιώντας την αναλογία με το ζεύγος παπουτσιών, η έννοια της διεμπλοκής μπορεί να παρομοιαστεί με το να επιλέξουμε, τυχαία, ένα από τα παπούτσια. Τη στιγμή που θα αναγνωρίσουμε την φύση του ενός (αν είναι το αριστερό ή το δεξί), αντιλαμβανόμαστε αμέσως και την φύση του άλλου, ανεξάρτητα από τη θέση που βρίσκεται στο σύμπαν. Ωστόσο, ο συναρπαστικός παράγοντας, εδώ, είναι η εγγενής αβεβαιότητα που σχετίζεται με τη διαδικασία αναγνώρισης μέχρι την ακριβή στιγμή της παρατήρησης.
Η κυματική συνάρτηση, μία βασική αρχή της κβαντομηχανικής, παρέχει μια ολοκληρωμένη κατανόηση της κβαντικής κατάστασης ενός σωματιδίου. Για παράδειγμα, στην προαναφερθείσα αναλογία, η κυματοσυνάρτηση του παπουτσιού θα μπορούσε να μεταφέρει πληροφορίες όπως αριστερό ή δεξί, το μέγεθος, το χρώμα και ούτω καθεξής.
Πιο συγκεκριμένα, η κυματοσυνάρτηση επιτρέπει στους κβαντικούς επιστήμονες να προβλέψουν τα πιθανά αποτελέσματα διαφόρων μετρήσεων σε μια κβαντική οντότητα, π.χ. θέση, ταχύτητα κ.λπ.
Αυτή η ικανότητα πρόβλεψης είναι ανεκτίμητη, ειδικά στο ταχέως εξελισσόμενο πεδίο της κβαντικής τεχνολογίας, όπου η γνώση μιας κβαντικής κατάστασης που παράγεται από (ή εισάγεται σε) έναν κβαντικό υπολογιστή, επιτρέπει τον έλεγχο του ίδιου του υπολογιστή. Επιπλέον, οι κβαντικές καταστάσεις που χρησιμοποιούνται στην κβαντική υπολογιστική είναι εξαιρετικά πολύπλοκες, περιλαμβάνοντας πολλές οντότητες που μπορεί να εμφανίζουν ισχυρούς “μη-τοπικούς” συσχετισμούς (διεμπλοκή).
Το να γνωρίζουμε την κυματοσυνάρτηση ενός τέτοιου κβαντικού συστήματος είναι ένα ιδιαίτερα δύσκολο έργο – αυτό είναι επίσης γνωστό ως τομογραφία κβαντικής κατάστασης (quantum state tomography). Με τις τυπικές προσεγγίσεις -που βασίζονται στις λεγόμενες “προβολικές διεργασίες” (projective operations)- μια πλήρης τομογραφία απαιτεί μεγάλο αριθμό μετρήσεων, ο οποίος αυξάνεται ραγδαία με την πολυπλοκότητα του συστήματος (διαστατότητα).
Προηγούμενα πειράματα που εκτέλεσε η ερευνητική ομάδα, ακολουθώντας αυτήν την προσέγγιση, έδειξαν ότι ο χαρακτηρισμός ή η μέτρηση μίας υψηλών διαστάσεων κβαντικής κατάστασης δύο εναγκαλισμένων φωτονίων μπορεί να χρειαστεί ώρες ή και μέρες. Επιπρόσθετα, η ποιότητα του αποτελέσματος είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη στο θόρυβο και εξαρτάται από την πολυπλοκότητα της πειραματικής διάταξης.
Μπορούμε να σκεφτούμε την προβολική προσέγγιση μέτρησης στην τομογραφία κβαντικής κατάστασης, ως την καταγραφή των σκιών, ενός αντικειμένου υψηλών διαστάσεων, που προβάλλονται σε διαφορετικούς τοίχους από ανεξάρτητες κατευθύνσεις. Το μόνο που μπορεί να δει ένας ερευνητής είναι οι σκιές, και από αυτές μπορεί να συμπεράνει το σχήμα (κατάσταση) του πλήρους αντικειμένου. Για παράδειγμα, στην αξονική τομογραφία, οι πληροφορίες ενός τρισδιάστατου αντικειμένου μπορούν να ανακατασκευαστούν από ένα σύνολο δισδιάστατων εικόνων.
Στην κλασική οπτική, ωστόσο, υπάρχει ένας άλλος τρόπος για την ανακατασκευή ενός τρισδιάστατου αντικειμένου. Ονομάζεται ψηφιακή ολογραφική αποτύπωση και βασίζεται στην καταγραφή μιας μεμονωμένης εικόνας, που ονομάζεται συμβολόγραμμα, το οποίο λαμβάνεται από την συμβολή του φωτός -που σκεδάζεται από το αντικείμενο- με ένα φως αναφοράς.
Η ομάδα, με επικεφαλής τον Ebrahim Karimi, συνδιευθυντή του ερευνητικού ινστιτούτου “Nexus for Quantum Technologies” (NexQT) του Πανεπιστημίου της Οτάβα και αναπληρωτή καθηγητή στη Σχολή Επιστημών, επέκτεινε αυτή την ιδέα στην περίπτωση δύο φωτονίων.
Η ανακατασκευή μιας κατάστασης “δι-φωτονίου” απαιτεί την υπέρθεσή της με μια θεωρούμενη ως πολύ γνωστή κβαντική κατάσταση και, στη συνέχεια, ανάλυση της χωρικής κατανομής των θέσεων όπου δύο φωτόνια φτάνουν ταυτόχρονα. Η απεικόνιση της ταυτόχρονης άφιξης δύο φωτονίων είναι γνωστή ως εικόνα σύμπτωσης. Τα φωτόνια, αυτά, μπορεί να προέρχονται είτε από την πηγή αναφοράς είτε από την άγνωστη πηγή· η κβαντομηχανική δηλώνει ότι η πηγή των φωτονίων δεν μπορεί να προσδιοριστεί.
Το αποτέλεσμα είναι ένα μοτίβο συμβολής, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανακατασκευή της άγνωστης κυματικής συνάρτησης. Μία προηγμένη κάμερα, η οποία μπορεί να καταγράφει γεγονότα με ανάλυση νανοδευτερόλεπτου σε κάθε pixel, κατέστησε δυνατή την διεξαγωγή του συγκεκριμένου πειράματος.
Ο Δρ. Alessio D’Errico, μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο Πανεπιστήμιο της Οτάβα και ένας από τους συν-συγγραφείς της εργασίας, τονίζει τα τεράστια πλεονεκτήματα αυτής της καινοτόμου προσέγγισης: «Αυτή η μέθοδος είναι εκθετικά ταχύτερη από τις προηγούμενες τεχνικές, απαιτώντας μόνο λεπτά ή δευτερόλεπτα, αντί για ημέρες. Είναι ιδιαίτερα σημαντικό ότι ο χρόνος ανίχνευσης δεν επηρεάζεται από την πολυπλοκότητα του συστήματος – μια λύση στη μακροχρόνια πρόκληση επεκτασιμότητας στην προβολική τομογραφία.»
Ο αντίκτυπος αυτής της έρευνας ξεπερνά την ακαδημαϊκή κοινότητα. Έχει τη δυνατότητα να επιταχύνει την πρόοδο όσον αφορά στην κβαντική τεχνολογία, όπως την βελτίωση του χαρακτηρισμού κβαντικών καταστάσεων, της κβαντικής επικοινωνίας και την ανάπτυξη νέων τεχνικών κβαντικής απεικόνισης.
Η μελέτη “Interferometric imaging of amplitude and phase of spatial biphoton states” δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό “Nature Photonics”.
Παραπομπές: Danilo Zia et al, Interferometric imaging of amplitude and phase of spatial biphoton states, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01272-3
Πηγή: University of Ottawa https://www.uottawa.ca/
