Istraživači na Sveučilištu u Ottawi, u suradnji s Danilom Ziom i Fabiom Sciarrinom sa Sapienza Sveučilišta u Rimu, nedavno su demonstrirali novu tehniku koja omogućuje vizualizaciju valne funkcije dvaju isprepletenih fotona, osnovnih čestica koje čine svjetlost, u stvarnom vremenu.
Koristeći analogiju para cipela, koncept isprepletenosti može se usporediti s nasumičnim odabirom cipele. U trenutku kada identificirate jednu cipelu, priroda druge (bilo da je lijeva ili desna) trenutačno je razaznata, bez obzira na njenu lokaciju u svemiru. Međutim, intrigantni faktor je inherentna nesigurnost povezana s postupkom identifikacije sve do točnog trenutka promatranja.
Valna funkcija, središnji princip u kvantnoj mehanici, pruža sveobuhvatno razumijevanje kvantnog stanja čestice. Na primjer, u slučaju cipele, “valna funkcija” cipele mogla bi nositi informacije poput lijeve ili desne, veličine, boje i slično.
Preciznije, valna funkcija omogućuje kvantnim znanstvenicima da predviđaju vjerojatne ishode različitih mjerenja na kvantnom entitetu, npr. položaj, brzina, itd.
Ova prediktivna sposobnost je neprocjenjiva, posebno u brzo napredujućem polju kvantne tehnologije, gdje poznavanje kvantnog stanja koje je generirano ili uneseno u kvantno računalo omogućava testiranje samog računala. Osim toga, kvantna stanja koja se koriste u kvantnom računanju izuzetno su složena, uključujući mnoge entitete koji mogu pokazivati snažne ne-lokalne korelacije (isprepletenost).
Poznavanje valne funkcije takvog kvantnog sustava zahtjevan je zadatak – to je poznato i kao kvantna stanje tomografija ili kratko kvantna tomografija. S standardnim pristupima (temeljenima na tzv. projekcijskim operacijama) potpuna tomografija zahtijeva velik broj mjerenja koji brzo raste s kompleksnošću sustava (dimenzionalnošću).
Prethodni eksperimenti provedeni ovim pristupom od strane istraživačke skupine pokazali su da karakteriziranje ili mjerenje visokodimenzionalnog kvantnog stanja dvaju isprepletenih fotona može trajati sate ili čak dane. Nadalje, kvaliteta rezultata izrazito je osjetljiva na buku i ovisi o kompleksnosti eksperimentalnog postava.
Pristup projekcijskog mjerenja kvantnoj tomografiji može se promatrati kao promatranje sjena visokodimenzionalnog objekta projiciranog na različite zidove iz neovisnih smjerova. Sve što istraživač može vidjeti su sjene, i iz njih može zaključiti oblik (stanje) cijelog objekta. Na primjer, u CT skeniranju (kompjutorska tomografija), informacije o 3D objektu mogu se tako rekonstruirati iz seta 2D slika.
U klasičnoj optici, međutim, postoji drugi način za rekonstrukciju 3D objekta. To se zove digitalna holografija, i temelji se na snimanju jedne slike, zvane interferogram, dobivene interferiranjem svjetlosti raspršene objektom s referentnom svjetlošću.
Tim, predvođen Ebrahimom Karimijem, suvoditeljem istraživačkog instituta u Ottawa Nexus for Quantum Technologies (NexQT) i izvanrednim profesorom na Fakultetu prirodnih znanosti, proširio je ovaj koncept na slučaj dva fotona.
Rekonstrukcija biphoton stanja zahtijeva njegovo preklapanje s pretpostavljeno dobro poznatim kvantnim stanjem, a zatim analizu prostorne distribucije položaja gdje dva fotona dolaze istovremeno. Slikanje istovremenog dolaska dva fotona poznato je kao slika koincidencije. Ti fotoni mogu dolaziti iz referentnog izvora ili nepoznatog izvora. Kvantna mehanika tvrdi da se izvor fotona ne može identificirati.
To rezultira interferencijskim uzorkom koji se može koristiti za rekonstrukciju nepoznate valne funkcije. Ovaj eksperiment omogućen je naprednom kamerom koja bilježi događaje s nanosekundnom rezolucijom na svakom pikselu.
Dr. Alessio D’Errico, postdoktorski znanstvenik na Sveučilištu u Ottawi i jedan od suautora rada, istaknuo je ogromne prednosti ovog inovativnog pristupa: “Ova metoda je eksponencijalno brža od prethodnih tehnika, zahtijevajući samo minute ili sekunde umjesto dana. Važno je napomenuti da vrijeme detekcije nije pod utjecajem kompleksnosti sustava – rješenje dugotrajnog problema skalabilnosti u projekcijskoj tomografiji.”
Učinak ovog istraživanja nadilazi samo akademsku zajednicu. Ima potencijal ubrzati napredak kvantne tehnologije, poput poboljšanja karakterizacije kvantnog stanja, kvantne komunikacije i razvoja novih kvantnih tehnika snimanja.
Studija “Interferometrijsko snimanje amplitude i faze prostornih biphoton stanja” objavljena je u Nature Photonics.
