Pierwsza demonstracja 10-fotonowego splątania kwantowego ustanawia nowy rekord

Splątanie to dziwne zjawisko, w którym cząstki kwantowe łączą się tak głęboko, że dzielą to samo istnienie. Kiedyś rzadkie, splątanie stało się rutyną w laboratoriach na całym świecie.

Fizycy nauczyli się tworzyć splątanie, przenosić je z jednej cząstki na drugą, a nawet destylować. Rzeczywiście, splątanie stało się zasobem samym w sobie i kluczowym dla wszystkiego, od kryptografii i teleportacji po obliczenia i symulacje.

Pozostaje jednak poważny problem. Aby przeprowadzać coraz bardziej złożone i potężne eksperymenty, fizycy muszą wytwarzać splątanie w coraz większej skali poprzez splątanie większej liczby cząstek w tym samym czasie.

Obecne liczby są jednak marne. Fotony to kwantowe konie robocze w większości laboratoriów, a rekord liczby splątanych fotonów wynosi zaledwie osiem, wytwarzanych z szybkością około dziewięciu zdarzeń na godzinę.

Użycie tych samych technik do stworzenia wskaźnika zliczania 10 fotonów dałoby tylko 170 rocznie, a więc zbyt mało, aby łatwo zmierzyć. Tak więc perspektywy poprawy wydawały się odległe.

Dlatego praca Xi-Lin Wanga i kolegów z Uniwersytetu Nauki i Technologii Chin w Heifu jest imponująca. Dziś ogłaszają, że po raz pierwszy wyprodukowali splątanie 10-fotonowe i zrobili to w tempie zliczania o trzy rzędy wielkości wyższym niż cokolwiek możliwego do tej pory.

Największym wąskim gardłem w splątaniu fotonów jest sposób ich wytwarzania. Obejmuje to proces zwany spontaniczną parametryczną konwersją w dół, w którym jeden energetyczny foton jest przekształcany w dwa fotony o niższej energii w krysztale boranu beta-baru. Te fotony potomne są naturalnie splątane.

Zaskakując kryształ w sposób ciągły wiązką laserową, możliwe jest wytworzenie strumienia splątanych par fotonów. Jednak tempo konwersji w dół jest niewielkie, tylko jeden foton na bilion. Dlatego skuteczne zbieranie splątanych par jest niezwykle ważne.

Nie jest to łatwe zadanie, nie tylko dlatego, że fotony wychodzą z kryształu w nieco innych kierunkach, z których żadnego nie da się łatwo przewidzieć. Fizycy zbierają fotony z dwóch punktów, w których najprawdopodobniej się pojawią, ale większość splątanych fotonów jest tracona.

Xi-Lin i spółka rozwiązali ten problem, zmniejszając niepewność w kierunkach fotonów. Rzeczywiście, udało im się ukształtować wiązki splątanych fotonów tak, że tworzą dwie oddzielne wiązki kołowe, które można łatwiej zebrać.

W ten sposób zespół wygenerował splątane pary fotonów z szybkością około 10 milionów na wat mocy lasera. To jest jaśniejsze niż poprzednie generatory splątania o współczynnik około cztery. To właśnie ta poprawa umożliwia splątanie 10-fotonowe.

Ich metoda polega na zebraniu pięciu kolejno generowanych par splątanych fotonów i przekazaniu ich do sieci optycznej czterech dzielników wiązki. Następnie zespół wprowadza opóźnienia czasowe, które zapewniają, że fotony docierają do dzielników wiązki jednocześnie, a tym samym zostają splątane.

To tworzy stan splątania 10 fotonów, aczkolwiek z szybkością około czterech na godzinę, co jest niskie, ale ostatecznie mierzalne po raz pierwszy. Po raz pierwszy demonstrujemy prawdziwe i dające się destylować splątanie 10 pojedynczych fotonów, powiedzmy Xi-Lin i spółka.

To imponująca praca, która natychmiast otwiera perspektywę nowej generacji eksperymentów. Najbardziej ekscytującą z nich jest technika zwana próbkowaniem bozonów, która, jak mają fizycy, udowodni, że komputery kwantowe naprawdę potrafią robić rzeczy, których klasyczne komputery nie są.

To ważne, ponieważ nikt nie zbudował komputera kwantowego o większej mocy niż kalkulator kieszonkowy (pomijając kontrowersyjne wyniki D-Wave). Nie jest też prawdopodobne w najbliższej przyszłości. Zatem pobieranie próbek bozonów jest największą nadzieją fizyków kwantowych, która pozwoli im po raz pierwszy pochwalić się zadziwiającą mocą obliczeń kwantowych.

Możliwe stają się również inne rzeczy, takie jak teleportacja kwantowa trzech stopni swobody w pojedynczym fotonie i eksperymenty wielofotonowe na bardzo duże odległości.

Ale to możliwość pobierania próbek bozonów wzbudzi dreszczyk emocji w społeczności fizyków kwantowych.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1605.08547 : Eksperymentalne splątanie dziesięciu fotonów

ukryć