Kvant-"yin och yang"-fotoner avbildade i realtid
Forskare har lyckats visualisera så kallade hoptvinnade fotoner på rekordtid – något som vanligtvis tar flera dagar.
Trots att dagens kvantmekanik och -fysik har drygt 100 år på nacken är det fortfarande mycket vi inte vet om denna mikroskopiska värld.
På senare år har ny teknik tagit ett – just det: kvantsprång, så att fysiker kan undersöka partiklar på nära håll och använda dem i modern teknik som kvantdatorer.
Ett av de mer exotiska områdena inom kvantmekaniken är den så kallade hoptvinning som fysiker vill veta mer om, men som kan vara svåra att observera.
Nu har forskare vid University of Ottawa i Kanada och Sapienza-universitetet i Rom, Italien, utvecklat en ny teknik som kan visualisera hoptvinningen på rekordtid.
beskriver de I en artikel i tidskriften Nature Photonics beskriver de hur de med hjälp av en metod de kallar bifoton digital holografi har skapat en yin-yang-liknande bild av två hoptvinnade ljuspartiklar i realtid.
Svårt att fånga kvanthoptvinning på bild
Enkelt förklarat är en kvanthoptvinning en förbindelse mellan två liknande partiklar, trots att avståndet mellan dem är stort.
Det gör det möjligt för exempelvis två ljuspartiklar – även kallade fotoner – att vara kopplade till varandra över enorma avstånd och när det sker en förändring i den ena partikeln så sker en liknande förändring i den andra.
För att kunna förutspå hur ett kvantobjekt som fotoner beter sig måste fysikerna hitta objektets vågfunktion.
Vågfunktionen är en beskrivning av partikelns tillstånd, som på kvantnivå existerar i en så kallad superposition. Det innebär att partikeln kan förekomma i alla fysiska tillstånd på en gång.
Med hjälp av en metod de kallar bifoton digital holografi för att mäta kvanthoptvinningen mellan två ljuspartiklar kunde forskarna rekonstruera den här yin-yang-liknande bilden av hoptvinningen.
Det är en utmaning att hitta vågfunktionen i två förbundna partiklar, eftersom varje mätning av den ena partikeln orsakar en omedelbar förändringar i den andra.
För att lösa det problemet använder fysiker en metod kallad kvanttomografi, som kan skapa tredimensionella rekonstruktioner av partiklar genom mätningar.
Fysikerna måste göra många mätningar av partiklarnas kvanttillstånd och ju mer komplext tillståndet är, desto fler mätningar krävs det. Sedan kan de rekonstruera ett 3D-objekt av hoptvinningen utifrån projektioner.
I ett pressmeddelande jämför forskarna det med att ett 3D-objekt återskapas utifrån de 2D-skuggor som kastas på väggarna, när det ursprungliga objektet blir belyst.
Denna metod ger rätt resultat, men den ger också en massa resultat som inte är fysiskt möjliga och som därför måste sorteras bort för att få en exakt bild och den processen kan ta upp till flera dagar.
Yin-yang-hoptvinning
Sedan är vi äntligen framme vid den nya bifoton digital holografi-metoden. Hologram är 2D-visualiseringar av 3D-objekt.
Optiska hologram använder två ljusstrålar till att skapa en 3D-bild. Den ena strålen träffar objektet som reflekterar strålen. Den andra strålen lyser på en kamera med ultrahög precision.
Hologrammet bildas av mönstret av en så kallad interferens, som är ett mönster av hur de båda ljusvågornas toppar och dalar läggs ihop eller upphäver varandra.
Genom att använda denna metod samt en kamera med nanosekundprecision kunde forskarna urskilja det mottagna interferensmönstret genom att sätta upp det okända kvanttillståndet mot ett känt tillstånd och avslöja den yin-yang-liknande rekonstruktionen av de båda hoptvinnade fotonerna.
"Denna metod är exponentiellt snabbare än tidigare tekniker och kräver bara minuter eller sekunder i stället för dagar", förklarar Alessio D'Errico, som är post dok vid University of Ottawa och som ingick i forskargruppen, i pressmeddelandet.
Kvanthoptvinning är ett av grundelementen i kvantdatorer. Bättre förståelse av hoptvinningen kan ge oss mer stabila kvantdatorer.
Forskarna skriver i sin artikel att yin-yang-formen har uppstått av en slump på grund av de optiska ljusstrålarnas vinkel. I kinesisk filosofi symboliserar yin och yang motsatser som hör ihop likt ljus och mörker, natt och dag.