Visualisierung des mysteriösen Tanzes: Quantenverschränkung von Photonen, real eingefangen

21. August 2023

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von der University of Ottawa

Forscher der Universität Ottawa haben kürzlich in Zusammenarbeit mit Danilo Zia und Fabio Sciarrino von der Universität Sapienza in Rom eine neuartige Technik demonstriert, die die Visualisierung der Wellenfunktion zweier verschränkter Photonen, der Elementarteilchen, aus denen Licht besteht, in realer Form ermöglicht. Zeit.

In der Analogie zu einem Paar Schuhen lässt sich das Konzept der Verschränkung mit der zufälligen Auswahl eines Schuhs vergleichen. Sobald Sie einen Schuh identifizieren, wird sofort die Beschaffenheit des anderen (ob es sich um den linken oder rechten Schuh handelt) erkannt, unabhängig von seiner Position im Universum. Der faszinierende Faktor ist jedoch die inhärente Unsicherheit, die mit dem Identifizierungsprozess bis zum genauen Zeitpunkt der Beobachtung verbunden ist.

Die Wellenfunktion, ein zentraler Grundsatz der Quantenmechanik, ermöglicht ein umfassendes Verständnis des Quantenzustands eines Teilchens. Im Beispiel des Schuhs könnte die „Wellenfunktion“ des Schuhs beispielsweise Informationen wie links oder rechts, die Größe, die Farbe usw. enthalten.

Genauer gesagt ermöglicht die Wellenfunktion Quantenwissenschaftlern, die wahrscheinlichen Ergebnisse verschiedener Messungen an einem Quantenobjekt, z. B. Position, Geschwindigkeit usw., vorherzusagen.

Diese Vorhersagefähigkeit ist von unschätzbarem Wert, insbesondere im sich schnell entwickelnden Bereich der Quantentechnologie, wo die Kenntnis eines Quantenzustands, der in einem Quantencomputer erzeugt oder eingegeben wird, es ermöglicht, den Computer selbst zu testen. Darüber hinaus sind die im Quantencomputing verwendeten Quantenzustände äußerst komplex und umfassen viele Einheiten, die starke nicht-lokale Korrelationen (Verschränkung) aufweisen können.

Die Wellenfunktion eines solchen Quantensystems zu kennen, ist eine anspruchsvolle Aufgabe – dies wird auch als Quantenzustandstomographie oder kurz Quantentomographie bezeichnet. Mit den Standardansätzen (basierend auf den sogenannten projektiven Operationen) erfordert eine vollständige Tomographie eine große Anzahl von Messungen, die mit der Komplexität (Dimensionalität) des Systems schnell zunimmt.

Frühere Experimente der Forschungsgruppe mit diesem Ansatz zeigten, dass die Charakterisierung oder Messung des hochdimensionalen Quantenzustands zweier verschränkter Photonen Stunden oder sogar Tage dauern kann. Darüber hinaus ist die Qualität des Ergebnisses stark rauschempfindlich und von der Komplexität des Versuchsaufbaus abhängig.

Man kann sich den projektiven Messansatz der Quantentomographie so vorstellen, dass man die Schatten eines hochdimensionalen Objekts betrachtet, die aus unabhängigen Richtungen auf verschiedene Wände projiziert werden. Alles, was ein Forscher sehen kann, sind die Schatten, aus denen er auf die Form (den Zustand) des gesamten Objekts schließen kann. Beispielsweise können beim CT-Scan (Computertomographie-Scan) die Informationen eines 3D-Objekts aus einem Satz von 2D-Bildern rekonstruiert werden.

In der klassischen Optik gibt es jedoch eine andere Möglichkeit, ein 3D-Objekt zu rekonstruieren. Dies wird als digitale Holographie bezeichnet und basiert auf der Aufzeichnung eines einzelnen Bildes, dem sogenannten Interferogramm, das durch Interferenz des vom Objekt gestreuten Lichts mit einem Referenzlicht entsteht.

Das Team unter der Leitung von Ebrahim Karimi, Canada Research Chair in Structured Quantum Waves, Co-Direktor des Forschungsinstituts uOttawa Nexus for Quantum Technologies (NexQT) und außerordentlicher Professor an der Fakultät für Naturwissenschaften, erweiterte dieses Konzept auf den Fall von zwei Photonen.

Um einen Biphotonenzustand zu rekonstruieren, muss man ihn mit einem vermutlich bekannten Quantenzustand überlagern und dann die räumliche Verteilung der Positionen analysieren, an denen zwei Photonen gleichzeitig ankommen. Die Abbildung des gleichzeitigen Eintreffens zweier Photonen wird als Koinzidenzbild bezeichnet. Diese Photonen können von der Referenzquelle oder der unbekannten Quelle stammen. Die Quantenmechanik besagt, dass die Quelle der Photonen nicht identifiziert werden kann.

Dadurch entsteht ein Interferenzmuster, mit dem sich die unbekannte Wellenfunktion rekonstruieren lässt. Möglich wurde dieses Experiment durch eine fortschrittliche Kamera, die Ereignisse mit einer Auflösung von Nanosekunden auf jedem Pixel aufzeichnet.

Dr. Alessio D'Errico, Postdoktorand an der Universität Ottawa und einer der Co-Autoren des Artikels, betonte die immensen Vorteile dieses innovativen Ansatzes: „Diese Methode ist exponentiell schneller als frühere Techniken und erfordert nur Minuten oder Sekunden.“ statt Tage. Wichtig ist, dass die Erkennungszeit nicht von der Komplexität des Systems beeinflusst wird – eine Lösung für die seit langem bestehende Skalierbarkeitsherausforderung in der projektiven Tomographie.“

Die Wirkung dieser Forschung geht über die bloße akademische Gemeinschaft hinaus. Es hat das Potenzial, Fortschritte in der Quantentechnologie zu beschleunigen, wie etwa die Verbesserung der Quantenzustandscharakterisierung, der Quantenkommunikation und die Entwicklung neuer Quantenbildgebungstechniken.

Die Studie „Interferometrische Bildgebung von Amplitude und Phase räumlicher Biphotonenzustände“ wurde in Nature Photonics veröffentlicht.

Mehr Informationen: Danilo Zia et al., Interferometrische Bildgebung von Amplitude und Phase räumlicher Biphotonenzustände, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01272-3

Zeitschrifteninformationen:Naturphotonik

Zur Verfügung gestellt von der University of Ottawa