Kvante-«yin og yang»-fotoner avbildet på rekordtid
Med digital holografi har forskere klart å visualisere såkalt sammenfiltrede fotoner på rekordtid.
Selv om kvantemekanikken og fysikken slik vi kjenner den i dag, er over hundre år gammel, er det fortsatt mye vi ikke forstår av denne mikroskopiske verdenen.
De siste årene har ny teknologi tatt et kvantesprang som gjør det mulig for fysikere å studere partikler på nært hold og bruke dem i moderne teknologi som kvantedatamaskiner.
Et av de mer eksotiske områdene innen kvantefysikken er såkalt kvantesammenfiltring, som fysikerne gjerne skulle forstå mer i detalj, men som kan være vanskelig å observere.
Nå har forskere ved universitetet i Ottawa i Canada og Sapienza-universitetet i Roma utviklet en ny teknikk som kan visualisere denne sammenfiltringen på rekordtid.
I en artikkel i tidsskriftet Nature Photonics beskriver de hvordan de ved hjelp av en metode de kaller bifoton digital holografi har skapt et yin og yang-lignende bilde av to sammenfiltrede lyspartikler på rekordtid.
Vanskelig å fange kvantesammenfiltring
Kort fortalt er kvantesammenfiltring det at to partikler kan være koblet sammen over store avstander.
Dette gjør at for eksempel to lyspartikler – også kjent som fotoner – kan oppføre seg slik at når det skjer en endring i den ene partikkelen, skjer det en tilsvarende endring i den andre.
For å kunne forutsi hvordan en kvantegjenstand som fotoner oppfører seg, må fysikerne finne gjenstandens bølgefunksjon.
Denne bølgefunksjonen er en beskrivelse av partikkelens tilstand, som på kvantenivå eksisterer i en såkalt superposisjon. Det betyr at partikkelen kan befinne seg i alle fysiske tilstander samtidig.
Ved å bruke såkalt bifoton digital holografi for å måle kvantesammenfiltringen mellom to lyspartikler klarte forskerne å rekonstruere dette yin og yang-lignende bildet av sammenfiltringen.
Det er derfor en stor utfordring å finne bølgefunksjonen til to sammenkoblede partikler, ettersom enhver måling av den ene partikkelen fører til en øyeblikkelig endring i den andre.
For å løse denne utfordringen bruker fysikerne en metode som kalles kvantetomografi, og som kan skape tredimensjonale rekonstruksjoner av partikler ved hjelp av målinger.
For å gjøre dette må fysikerne foreta mange målinger av partiklenes kvantetilstand, og jo mer kompleks tilstanden er, desto flere målinger trenger de. Ut fra målingene kan de rekonstruere en 3D-gjenstand av sammenfiltringen basert på projeksjoner.
I en pressemelding sammenligner forskerne det med å gjenskape en tredimensjonal ting ut fra todimensjonale skygger.
Selv om denne metoden gir nøyaktige resultater, skaper den også mange resultater som ikke er fysisk mulige, og som må forkastes for å få et nøyaktig bilde, en prosess som kan ta flere dager.
Yin og yang-sammenfiltring
Og til slutt har vi kommet til den nye metoden: bifoton digital holografi. Hologrammer er 2D-visualiseringer av 3D-gjenstander.
Optiske hologrammer bruker to lysstråler for å skape et 3D-bilde. Den ene strålen treffer gjenstanden, som reflekterer strålen. Den andre strålen treffer et kamera med ultrahøy presisjon.
Hologrammet dannes av mønsteret som dannes på grunn av interferens, altså at bølgetopper og -daler i de to lysbølgene forsterker eller opphever hverandre.
Ved å bruke denne metoden og et nanosekundpresist kamera kunne forskerne skille ut det mottatte interferensmønsteret ved å kontrastere den ukjente kvantetilstanden med en kjent tilstand, noe som avslørte den yin og yang-lignende rekonstruksjonen av de to sammenfiltrede fotonene.
«Denne metoden er eksponentielt mye raskere enn tidligere teknikker og krever bare minutter eller sekunder i stedet for dager», sier en av forskerne bak den nye teknikken, Alessio D’Errico ved universitetet i Ottawa, i pressemeldingen.
Kvantesammenfiltring er et av grunnelementene i kvantedatamaskiner. En bedre forståelse av sammenfiltring kan føre til mer stabile kvantedatamaskiner.
Forskerne skriver i artikkelen at yin og yang-formen ble til ved en tilfeldighet på grunn av vinkelen på de optiske lysstrålene. I kinesisk filosofi beskriver yin og yang motsatte, men sammenknyttede krefter, for eksempel lys og mørke, orden og kaos.