پیشرفت دوربری کوانتومی: دانشمندان یک چالش درهم تنیدگی 25 ساله را شکست دادند

درهم تنیدگی کوانتومی یکی از عجیب ترین تفاوت های فیزیک روزمره و دنیای کوانتومی را به تصویر می کشد. در یک سیستم درهم تنیده، ذراتی مانند فوتون‌ها به قدری عمیق به هم متصل می‌شوند که ویژگی‌های آن‌ها را نمی‌توان به طور کامل و مستقل توصیف کرد. در عوض، سیستم باید به عنوان یک کل در نظر گرفته شود.

این ایده با این انتظار کلاسیک که هر ذره باید واقعیت فیزیکی جداگانه خود را داشته باشد، تضاد دارد، ویژگی مکانیک کوانتومی که آلبرت انیشتین را به دردسر انداخت. با این حال، درهم تنیدگی در حال حاضر یکی از اجزای ضروری برای فناوری‌های کوانتومی نوظهور، از جمله ارتباطات پیشرفته، محاسبات، و انتقال اطلاعات در نظر گرفته می‌شود.

چالش اندازه گیری درهم تنیدگی کوانتومی

ساخت این فناوری‌ها به دانشمندان نیاز دارد که نه تنها حالت‌های درهم‌تنیده چند فوتونی را ایجاد کنند، بلکه باید به طور مؤثر مشخص کنند که کدام نوع حالت درهم‌تنیده را تولید کرده‌اند.

یک روش استاندارد توموگرافی کوانتومی است، تکنیکی که برای بازسازی و تخمین حالت کوانتومی با انجام اندازه‌گیری‌های زیاد استفاده می‌شود. مشکل این است که با اضافه شدن فوتون های بیشتر، مقدار داده های مورد نیاز به صورت تصاعدی افزایش می یابد. بنابراین، سیستمی که فقط شامل یک افزایش متوسط ​​در تعداد فوتون است، می تواند به اندازه گیری های بسیار بیشتری نیاز داشته باشد.

اندازه گیری درهم تنیده جایگزین بالقوه بسیار کارآمدتری ارائه می دهد. این نوع اندازه گیری به جای جمع آوری مجموعه بزرگی از اندازه گیری ها و بازسازی حالت پس از آن، می تواند یک حالت درهم تنیده را با استفاده از رویکرد یک شات شناسایی کند.

دانشمندان قبلا چنین اندازه‌گیری را برای حالت گرینبرگر-هورن-زیلینگر - گیگاهرتز - که یکی از شناخته‌شده‌ترین اشکال درهم‌تنیدگی چند فوتونی است، انجام داده بودند. اما هیچ روش قابل مقایسه ای برای حالت W که نوع مهم دیگری از حالت چند فوتونی درهم تنیده است، پیشنهاد یا به صورت تجربی نشان داده نشده بود.

محققان دانشگاه کیوتو و دانشگاه هیروشیما تصمیم گرفتند به این قابلیت گمشده رسیدگی کنند. کار آنها منجر به روش جدیدی برای انجام یک اندازه گیری درهم تنیده شد که می تواند حالت W را شناسایی کند.

شیگکی تاکوچی، نویسنده مربوطه، می‌گوید: «بیش از 25 سال پس از پیشنهاد اولیه در مورد اندازه‌گیری درهم‌تنیده برای حالت‌های GHZ، ما نهایتا اندازه‌گیری درهم تنیده را برای حالت W نیز با نمایش تجربی واقعی برای حالت‌های 3 فوتون W به دست آوردیم».

محققان رویکرد خود را حول یک ویژگی ریاضی از حالت W به نام تقارن تغییر چرخه ای ایجاد کردند. به زبان ساده، آرایش فوتون‌ها را می‌توان در یک چرخه تکراری تغییر داد و در عین حال یک الگوی اساسی مهم را حفظ کرد.

با استفاده از این تقارن، تیم از نظر تئوری یک اندازه گیری درهم تنیده بر اساس مدار کوانتومی فوتونیک ایجاد کردند. این مدار یک تبدیل فوریه کوانتومی را انجام می‌دهد، یک عملیات ریاضی که می‌تواند اطلاعات کوانتومی را به گونه‌ای سازماندهی مجدد کند که در غیر این صورت تشخیص الگوها دشوار است. روش پیشنهادی آنها در اصل می‌تواند برای حالت‌های W حاوی هر تعداد فوتون به کار رود.

سپس محققان دستگاهی برای آزمایش این ایده با سه فوتون ساختند. آنها از مدارهای کوانتومی نوری با پایداری بالا استفاده کردند که می توانستند برای مدت طولانی بدون نیاز به کنترل فعال به کار خود ادامه دهند.

با ارسال سه فوتون منفرد به داخل دستگاه با حالت های قطبی شدن به دقت انتخاب شده، محققان نشان دادند که این سیستم می تواند بین انواع مختلف حالت های W سه فوتونی تمایز قائل شود. هر یک از این حالت ها نشان دهنده یک همبستگی غیر کلاسیک خاص است که توسط سه فوتون ورودی مشترک است.

این تیم همچنین صحت اندازه گیری درهم تنیده را اندازه گیری کردند. وفاداری نشان می دهد که یک سیستم کوانتومی تا چه حد وظیفه مورد نظر را با اطمینان انجام می دهد. در این مورد، با این احتمال مطابقت دارد که دستگاه هنگام دریافت یک ورودی حالت W خالص، نتیجه صحیح را تولید کند.

این پیشرفت می تواند پیامدهایی برای چندین حوزه از فناوری کوانتومی داشته باشد.

یکی از آنها تله پورت کوانتومی است، فرآیندی که اطلاعات کوانتومی را از یک مکان به مکان دیگر منتقل می کند. علیرغم نامش، تله پورت کوانتومی از نظر فیزیکی مواد را منتقل نمی کند. در عوض، از درهم تنیدگی برای انتقال حالت کوانتومی که حاوی اطلاعات است استفاده می کند.

رویکرد اندازه‌گیری جدید همچنین می‌تواند به پروتکل‌های ارتباطی کوانتومی جدید، روش‌هایی برای انتقال حالت‌های درهم‌تنیده کوانتومی چند فوتونی و اشکال جدید محاسبات کوانتومی مبتنی بر اندازه‌گیری کمک کند.

تاکوچی می‌گوید: «به منظور تسریع در تحقیق و توسعه فناوری‌های کوانتومی، عمیق‌تر کردن درک خود از مفاهیم اساسی برای ارائه ایده‌های نوآورانه بسیار مهم است.

مقیاس کردن تکنیک به سیستم های کوانتومی بزرگتر

اکنون محققان قصد دارند رویکرد خود را فراتر از نمایش سه فوتون گسترش دهند.

هدف بلندمدت آنها این است که این روش را برای حالت های درهم تنیده کوانتومی چند فوتونی مقیاس بزرگتر و عمومی تر به کار ببرند. این تیم همچنین قصد دارد مدارهای کوانتومی فوتونیک روی تراشه را توسعه دهد که قادر به انجام اندازه‌گیری‌های درهم تنیده هستند و به طور بالقوه این فناوری را فشرده‌تر و ادغام آن در سیستم‌های کوانتومی آینده را آسان‌تر می‌کند.

مواد ارائه شده توسط دانشگاه کیوتو. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.

دارویی که باعث می شود افراد کالری بیشتری بسوزانند - دانشمندان مطمئن نیستند که چگونه

"Crawzilla" - دانشمندان به تازگی بزرگترین خرچنگ شناخته شده آمریکای شمالی را پیدا کردند

دانشمند 7 مورد از عجیب ترین کارهایی که قهوه با بدن شما انجام می دهد را فاش کرد

یک قرص ساده می تواند آسیب چشم دیابتی را قبل از از دست دادن بینایی درمان کند