Onderzoekers gebruikten geavanceerde cameratechnologie om de golffuncties van twee verstrengelde fotonen in realtime te visualiseren. Daarmee pionierden zij een techniek om snel en efficiënt de volledige kwantumtoestand van verstrengelde deeltjes te reconstrueren. Deze innovatieve aanpak is meerdere malen sneller dan eerdere methoden en duurt minuten of seconden in plaats van dagen, en zal naar verwachting de ontwikkeling van kwantumtechnologieën bevorderen door de karakterisering van kwantumtoestanden, kwantumcommunicatie en kwantumbeeldvormingstechnieken te verbeteren.
Een nieuwe techniek, gebaseerd op geavanceerde fotografie, demonstreert een manier om snel en efficiënt de volledige kwantumtoestand van verstrengelde deeltjes te reconstrueren.
Onderzoekers van de Universiteit van Ottawa hebben onlangs, in samenwerking met Danilo Zia en Fabio Sciarrino van de Sapienza Universiteit in Rome, een nieuwe techniek gedemonstreerd die real-time visualisatie mogelijk maakt van de golffuncties van twee verstrengelde fotonen, de fundamentele deeltjes waaruit licht bestaat.
Door de analogie van een paar schoenen te gebruiken, kan het concept van verstrikking worden vergeleken met het willekeurig kiezen van een schoen. Op het moment dat je de ene schoen identificeert, is de aard van de andere schoen (is het een linkerschoen of een rechterschoen) onmiddellijk waarneembaar, ongeacht de locatie ervan in het universum. Wat echter intrigerend is, is de inherente onzekerheid die gepaard gaat met het identificatieproces tot aan het exacte moment van observatie.
De golffunctie is een kernprincipe van de kwantummechanica en biedt een uitgebreid inzicht in de kwantumtoestand van deeltjes. In het geval van schoenen kan de ‘golffunctie’ van de schoenen bijvoorbeeld informatie bevatten zoals links en rechts, maat, kleur, enz. Preciezer gezegd, de golffunctie stelt kwantumwetenschappers in staat de mogelijke resultaten te voorspellen van verschillende metingen van kwantumentiteiten, zoals positie, snelheid, enz.
Foto (van links naar rechts): Dr. Alessio D'Errico, Dr. Ebrahim Karimi en Nazanin Dehghan.
Dit voorspellende vermogen is uiterst waardevol, vooral in het snel voortschrijdende veld van de kwantumtechnologie, waar het begrijpen van de kwantumtoestanden die door een kwantumcomputer worden geproduceerd of ingevoerd, ons in staat zal stellen de computer zelf te testen. Bovendien zijn de kwantumtoestanden die in kwantumcomputing worden gebruikt uiterst complex, waarbij veel entiteiten betrokken zijn die sterke niet-lokale correlaties kunnen vertonen (verstrengeling).
Het begrijpen van de golffunctie van een dergelijk kwantumsysteem is een uiterst uitdagende taak - dit wordt ook wel kwantumtoestandstomografie of kwantumtomografie genoemd. Uitgebreide tomografie met behulp van standaardmethoden (gebaseerd op zogenaamde projectiebewerkingen) vereist een groot aantal metingen, en het aantal metingen neemt snel toe met de complexiteit (dimensie) van het systeem.
Eerdere experimenten van het onderzoeksteam met deze methode hebben aangetoond dat het karakteriseren of meten van de hoogdimensionale kwantumtoestand van twee verstrengelde fotonen uren of zelfs dagen kan duren. Bovendien is de kwaliteit van de resultaten zeer gevoelig voor ruis en hangt af van de complexiteit van de experimentele opstelling.
De projectiemeetmethode van kwantumtomografie kan worden opgevat als het observeren van de schaduwen van hoogdimensionale objecten die vanuit onafhankelijke richtingen op verschillende muren worden geprojecteerd. Het enige wat onderzoekers kunnen zien zijn deze schaduwen, en hieruit kunnen ze de vorm (toestand) van het hele object afleiden. Bij een CT-scan (computertomografie) kan bijvoorbeeld informatie over een driedimensionaal object worden gereconstrueerd uit een reeks tweedimensionale afbeeldingen.
In de klassieke optica is er echter een andere manier om driedimensionale objecten te reconstrueren. Deze methode, bekend als digitale holografie, is gebaseerd op een enkel beeld, bekend als een interferentiepatroon, verkregen door het interfereren van licht dat door een object wordt verstrooid met een referentielicht.
Een onderzoeksteam onder leiding van Ebrahim Karimi, Canada Research Chair in Structural Quantum Waves, mededirecteur van het Joint Institute for Quantum Technologies (NexQT) in Ottawa, en universitair hoofddocent aan de Faculteit Wetenschappen, breidde dit concept uit naar het geval van twee fotonen. Het reconstrueren van de twee-fotonentoestand vereist het superponeren ervan met een vermeende bekende kwantumtoestand en vervolgens het analyseren van de ruimtelijke verdeling van locaties waar beide fotonen tegelijkertijd aankomen. Het in beeld brengen van twee fotonen die tegelijkertijd arriveren, wordt coïncidentiebeeldvorming genoemd. Deze fotonen kunnen afkomstig zijn van een referentiebron of van een onbekende bron. De kwantummechanica stelt dat de bron van een foton niet kan worden bepaald. Hierdoor ontstaat een interferentiepatroon dat kan worden gebruikt om de onbekende golffunctie te reconstrueren. Dit experiment werd mogelijk gemaakt door geavanceerde camera's die gebeurtenissen op elke pixel registreren met een resolutie van nanoseconden (1.000.000.000 seconden).
Dr. Alessio D'Errico, co-auteur van het artikel en postdoc aan de Universiteit van Ottawa, benadrukt de enorme voordelen van deze innovatieve aanpak: "Deze methode is meerdere malen sneller dan eerdere technieken en duurt slechts minuten of seconden in plaats van dagen. Belangrijk is dat de detectietijd niet wordt beïnvloed door de complexiteit van het systeem - dit is een manier om de al lang bestaande uitdaging op het gebied van schaalbaarheid in projectietomografie op te lossen."
Het heeft het potentieel om de vooruitgang in kwantumtechnologieën te versnellen, zoals verbeterde karakterisering van kwantumtoestanden, kwantumcommunicatie en de ontwikkeling van nieuwe kwantumbeeldvormingstechnieken.