Onderzoekers bereiden zich voor om ‘kwantumlicht’ te manipuleren

Voor het eerst heeft een internationaal team van natuurkundigen aangetoond dat het mogelijk is om kleine aantallen op elkaar inwerkende fotonen te identificeren en te manipuleren. Deze ongekende prestatie markeert een mijlpaal in de ontwikkeling van kwantumtechnologieën. Het zou met name een revolutie teweeg kunnen brengen in de medische beeldvorming en bijdragen aan de ontwikkeling van krachtigere kwantumcomputers.

Door meer dan een eeuw geleden de interactie van licht met materie te observeren, ontdekten wetenschappers dat licht noch een bundel deeltjes noch een golf van energie was, maar dat het beide eigenschappen vertoonde. Door het beroemde spleetexperiment van Young. De manier waarop licht interageert met materie blijft wetenschappers fascineren en leidt tot belangrijke praktische toepassingen in de informatica, astronomie, medisch onderzoek (beeldvorming) en communicatietechnologieën.

Gestimuleerde lichtemissie, gepostuleerd door Einstein in 1916, beschrijft het proces van elektronische de-excitatie dat optreedt wanneer een atoom wordt verlicht met licht met een golflengte die overeenkomt met de overgangsenergie tussen twee elektronische toestanden. Dit proces is de basis van hoe lasers werken. Voor het eerst is deze gestimuleerde emissie van enkele fotonen waargenomen. ” Dit vormt het toneel voor de manipulatie van wat we “kwantumlicht” zouden kunnen noemen.», zei Dr. Sahand Mahmoudianvan de University of Sydney School of Physics en co-hoofdauteur van het artikel.

Nauwkeurigere metingen, met minder fotonen

Fotonen, die “pakketten” van lichtenergie zijn, hebben niet gemakkelijk interactie met elkaar. Deze eigenschap is vooral handig voor communicatie over lange afstanden via optische vezels, omdat hierdoor informatie vrijwel zonder vervorming met de snelheid van het licht kan worden verzonden. In bepaalde gevallen is de interactie tussen fotonen echter wenselijk, zoals binnen interferometers, waardoor het mogelijk wordt minieme afstandsveranderingen te meten.

In een interferometer wordt licht uitgezonden vanuit een enkele bron, vervolgens gesplitst in twee bundels die elk een ander pad afleggen, voordat ze weer worden gecombineerd om interferometrie te produceren; Interferentiepatronen maken het mogelijk om verschillen in de lengte van de twee gekruiste optische paden af ​​te leiden. Deze instrumenten worden tegenwoordig in veel contexten gebruikt: voor medische beeldvorming, oceanografie, spectrometrie of zelfs in astrofysica – de LIGO- en Virgo-installaties zijn twee gigantische interferometers die speciaal zijn ontworpen om zwaartekrachtgolven te detecteren.

Hoewel ze erg complex zijn, hebben deze instrumenten een gevoeligheid die wordt beperkt door de wetten van de kwantummechanica – een bepaalde grens tussen de gevoeligheid waarmee een meting kan worden gedaan en het gemiddelde aantal fotonen in het meetapparaat. Zogenaamd “kwantumlicht” heeft een andere grens dan conventioneel laserlicht: het heeft in principe het voordeel dat het met minder fotonen gevoeligere metingen kan doen met een betere precisie.

Dit kan met name van belang zijn voor toepassingen in biologische microscopie, waarbij fijne details worden waargenomen en waarbij een hoge lichtintensiteit monsters kan beschadigen.

Een eerste stap naar het praktische gebruik van kwantumlicht

Dus ontwikkelden de onderzoekers een op kwantumlicht gebaseerd meetapparaat. ” Het apparaat dat we hebben gebouwd, creëert zulke sterke interacties tussen fotonen dat we het verschil konden waarnemen tussen de interactie van één foton en de interactie van twee fotonen zegt Dr. Natasha Tom, onderzoeker aan de Universiteit van Basel en co-auteur van de studie. Concreet waren de wetenschappers in staat om de fotongetalafhankelijke vertraging in de verstrooiing van een enkel kunstmatig atoom te observeren en te meten – een halfgeleider kwantumdot gekoppeld aan de optische holte.

Het enkele foton was langer vertraagd dan de twee fotonen, die verstrengeld raakten door de sterke foton-foton interactie. ” Enkele fotonen en de bijbehorende toestanden van twee en drie fotonen hebben verschillende vertragingen, die korter worden naarmate het aantal fotonen groter is. Deze lage vertraging is een kenmerk van gestimuleerde emissie, waarbij de aankomst van twee fotonen tijdens de levensduur van één emitter ervoor zorgt dat een ander foton wordt gestimuleerd Leg de onderzoekers uit natuur fysica.

Het team toonde zo aan dat het mogelijk is om sterk gecorreleerde fotontoestanden in de loop van de tijd te manipuleren en te identificeren, wat zij beschouwen als “een essentiële eerste stap in de richting van het benutten van kwantumlicht voor praktische doeleinden”. Dit experiment bevestigt niet alleen het concept van gestimuleerde emissies volledig, benadrukt dr. Tom, maar het vertegenwoordigt ook een enorme technologische sprong voorwaarts: ze gelooft dat dezelfde principes kunnen worden toegepast om efficiëntere apparaten te ontwikkelen die fotonenbinding bieden.

Dr. Mahmoud zei dat de volgende stappen zullen zijn om te bepalen hoe deze benadering kan worden gebruikt om lichttoestanden te genereren die nuttig zijn voor fouttolerante kwantumcomputing – een doel dat ook bedrijven als PsiQuantum en Xanadu nastreven.

bron : N Tom et al., Natuurfysica