Изследователи от Университета в Отава, в сътрудничество с университета Сапиенца в Рим, наскоро са демонстрирали нова техника, която позволява в реално време визуализирането на вълновата функция на два вплетени фотона, елементарните частици, които съставляват светлината.
Използвайки аналогията с чифт обувки, концепцията за вплитане може да се оприличи на избирането на обувка на случаен принцип. В момента, в който идентифицирате едната обувка, природата на другата (независимо дали е лявата или дясната обувка) се разпознава незабавно, независимо от нейното местоположение във Вселената. Въпреки това, интригуващият фактор е присъщата несигурност, свързана с процеса на идентификация до точния момент на наблюдение.
Вълновата функция, централен принцип в квантовата механика, осигурява цялостно разбиране на квантовото състояние на частицата. Например, в примера с обувката, "вълновата функция" на обувките може да носи информация като ляво или дясно, размер, цвят и т.н.
По-точно, вълновата функция позволява на квантовите физици да предскажат вероятните резултати от различни измервания на квантово образувание, например позиция, скорост и т.н.
Тази способност за прогнозиране е безценна, особено в бързо развиващата се област на квантовата технология, където познаването на квантово състояние, което се генерира или въвежда в квантовия компютър, ще позволи да се тества самият компютър. Освен това, квантовите състояния, използвани в квантовите изчисления, са изключително сложни, включващи много обекти, които могат да проявяват силни нелокални корелации (вплитане).
Познаването на вълновата функция на такава квантова система е трудна задача - това е известно също като томография на квантово състояние или накратко квантова томография. При стандартните подходи (базирани на т.нар. проективни операции) пълната томография изисква голям брой измервания, които бързо нарастват със сложността (броят измерения) на системата.
Предишни експерименти, проведени с този подход от изследователската група, показват, че характеризирането или измерването на високомерното квантово състояние на два вплетени фотона може да отнеме часове или дори дни. Освен това качеството на резултата е силно чувствително към шум и зависи от сложността на дизайна на експеримента.
Подходът за проективно измерване на квантовата томография може да се разглежда като гледане на сенките на обект с много измерения, проектиран върху различни стени от независими посоки. Всичко, което изследователите могат да видят, са сенките и от тях те могат да направят извод за формата (състоянието) на целия обект. Например при CT сканиране (компютърна томография) информацията за 3D обект може да бъде възстановена от набор от 2D изображения.
В класическата оптика обаче има друг начин за реконструиране на 3D обект. Това се нарича цифрова холография и се основава на запис на едно изображение, наречено интерферограма, получено чрез интерференция на светлината, разпръсната от обекта, с еталонна светлина.
Реконструирането на бифотонно състояние изисква наслагването му с предполагаемо добре известно квантово състояние и след това анализиране на пространственото разпределение на позициите, където два фотона пристигат едновременно. Представянето на едновременното пристигане на два фотона е известно като изображение на съвпадение. Тези фотони могат да идват от референтния източник или от неизвестния източник. Квантовата механика твърди, че източникът на фотоните не може да бъде идентифициран.
Това води до интерференчен модел, който може да се използва за реконструиране на неизвестната вълнова функция. Този експеримент става възможен благодарение на усъвършенствана камера, която записва събития с наносекунда резолюция на всеки пиксел.
Д-р Алесио Д'Ерико (Alessio D'Errico), постдокторант в Университета на Отава и един от съавторите на доклада, подчертава огромните предимства на този иновативен подход: "Този метод е експоненциално по-бърз от предишните техники, изискващи само минути или секунди вместо дни. Важното е, че времето за откриване не се влияе от сложността на системата - решение на дългогодишното предизвикателство за мащабируемост в проективната томография."
Това изследване има потенциала да ускори напредъка на квантовата технология, подобрявайки характеризирането на квантовите състояния, квантовата комуникация и разработването на нови техники за квантово изобразяване.
Danilo Zia et al, Interferometric imaging of amplitude and phase of spatial biphoton states, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01272-3
Visualizing the mysterious dance: Quantum entanglement of photons captured in real-time, University of Ottawa
