211service.com
Eerste demonstratie van 10-foton kwantumverstrengeling vestigt nieuw record
Verstrengeling is het vreemde fenomeen waarbij kwantumdeeltjes zo diep met elkaar verbonden raken dat ze hetzelfde bestaan delen. Ooit zeldzame, verstrengelde deeltjes zijn routine geworden in laboratoria over de hele wereld.
Natuurkundigen hebben geleerd hoe ze verstrengeling kunnen creëren, overbrengen van het ene deeltje naar het andere en zelfs destilleren. Verstrengeling is inderdaad een hulpmiddel op zich geworden en cruciaal voor alles, van cryptografie en teleportatie tot computergebruik en simulatie.
Maar er blijft een belangrijk probleem. Om steeds complexere en krachtigere experimenten uit te voeren, moeten natuurkundigen verstrengeling op steeds grotere schalen produceren door meer deeltjes tegelijk te verstrengelen.
De huidige cijfers zijn echter mager. Fotonen zijn de kwantumwerkpaarden in de meeste laboratoria en het record voor het aantal verstrengelde fotonen is slechts acht, geproduceerd met een snelheid van ongeveer negen gebeurtenissen per uur.
Het gebruik van dezelfde technieken om een telsnelheid van 10 fotonen te creëren zou resulteren in slechts 170 per jaar, te weinig zelfs om gemakkelijk te meten. Dus de vooruitzichten op verbetering leken ver weg.
Daarom is het werk van Xi-Lin Wang en zijn vrienden aan de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China in Heifu indrukwekkend. Vandaag kondigen ze aan dat ze voor het eerst een verstrengeling van 10 fotonen hebben geproduceerd, en dat hebben ze gedaan met een telsnelheid die drie orden van grootte hoger is dan tot nu toe mogelijk was.
Het grootste knelpunt bij het verstrengelen van fotonen is de manier waarop ze worden geproduceerd. Dit omvat een proces dat spontane parametrische neerwaartse conversie wordt genoemd, waarbij één energetisch foton wordt omgezet in twee fotonen met lagere energie in een kristal van bèta-bariumboraat. Deze dochterfotonen zijn van nature verstrengeld.
Door het kristal continu te zappen met een laserstraal, is het mogelijk om een stroom van verstrengelde fotonparen te creëren. De snelheid van de neerwaartse conversie is echter klein, slechts één foton per biljoen. Het efficiënt verzamelen van de verstrengelde paren is dus enorm belangrijk.
Dat is geen gemakkelijke taak, niet in de laatste plaats omdat de fotonen in enigszins verschillende richtingen uit het kristal komen, die geen van beide gemakkelijk kunnen worden voorspeld. Natuurkundigen verzamelen de fotonen van de twee punten waar ze het meest waarschijnlijk verschijnen, maar de meeste verstrengelde fotonen gaan verloren.
Xi-Lin en co hebben dit probleem aangepakt door de onzekerheid in de fotonrichtingen te verminderen. Ze zijn er inderdaad in geslaagd de bundels van verstrengelde fotonen zo te vormen dat ze twee afzonderlijke cirkelvormige bundels vormen, die gemakkelijker kunnen worden verzameld.
Op deze manier heeft het team verstrengelde fotonparen gegenereerd met een snelheid van ongeveer 10 miljoen per watt laservermogen. Dit is ongeveer een factor vier helderder dan eerdere verstrengelingsgeneratoren. Het is deze verbetering die 10-fotonverstrengeling mogelijk maakt.
Hun methode is om vijf achtereenvolgens gegenereerde paren verstrengelde fotonen te verzamelen en ze door te geven aan een optisch netwerk van vier bundelsplitsers. Het team introduceert vervolgens tijdvertragingen die ervoor zorgen dat de fotonen gelijktijdig bij de bundelsplitsers aankomen en zo verstrengeld raken.
Dit creëert de 10-foton verstrengelde toestand, zij het met een snelheid van ongeveer vier per uur, wat laag is maar uiteindelijk voor de eerste keer meetbaar. We demonstreren voor het eerst echte en destilleerbare verstrengeling van 10 enkele fotonen, zeggen Xi-Lin en co.
Dat is indrukwekkend werk dat meteen het perspectief opent op een nieuwe generatie experimenten. De meest opwindende hiervan is een techniek die boson-sampling wordt genoemd en waarvan natuurkundigen hopen dat ze zullen bewijzen dat kwantumcomputers echt in staat zijn tot dingen die klassieke computers niet zijn.
Dat is belangrijk omdat niemand een kwantumcomputer heeft gebouwd die krachtiger is dan een zakrekenmachine (de controversiële D-Wave-resultaten terzijde). In de nabije toekomst zullen ze dat waarschijnlijk ook niet doen. Boson-bemonstering is dus de grootste hoop van kwantumfysici dat ze voor het eerst kunnen pronken met de verbijsterende kracht van kwantumberekening.
Er worden ook andere dingen mogelijk, zoals de kwantumteleportatie van drie vrijheidsgraden in een enkel foton en multi-foton-experimenten over zeer lange afstanden.
Maar het is de mogelijkheid van boson-sampling die een frisson door de kwantumfysica-gemeenschap zal sturen.
Referentie: arxiv.org/abs/1605.08547 : Experimentele verstrengeling van tien fotonen