Bernerforskare har tagit ett viktigt steg mot nya mätmetoder som kvantspektroskopi. I ett experiment, de lyckades avslöja en del av mysteriet kring de så kallade "entangled photonerna" och få fin kontroll på de uppmätta korrelationerna.

Kvantteknologier har löftet att gå utöver kapaciteten hos klassiska nuvarande teknologier genom att använda rena kvantfenomen, såsom "intrasslade partiklar". Kvantteknologier används i olika applikationer, till exempel i kvantdatorer eller i kvantavkänning och metrologi, som möjliggör avbildning med högre upplösning eller bestämma mer exakt egenskaper hos atomer och molekyler.

Intrasslade partiklar

Entanglement är ett av de mest imponerande kvantfysiska fenomenen. Den beskriver egenskapen hos två partiklar som inte beter sig som två oberoende objekt, men som ett enda fysiskt föremål. Trasslingen ska inte förstås spatialt:intrasslade partiklar korrelerar med varandra vad gäller deras egenskaper. Detta betyder att om du ändrar egenskaperna hos en partikel, den andra partikeln förändras samtidigt, oavsett var det är. Ljuspartiklar (fotoner) kan intrasslas genom att dela en enda partikel i två fotoner i ett laserarrangemang med en speciell kristall. Inom optik, intrasslade fotoner är en viktig komponent i utvecklingen av nya kvantmätningsmetoder. De kan användas eftersom mätkapaciteten för ett intrasslat fotonpar är större än den hos två individuella fotoner. Dock, kvantintrassling leder till observation av samband mellan mätningar vid fotonparen, som endast kan förklaras kvantmekaniskt och inte med begrepp inom klassisk fysik.

Hittills har det inte funnits någon metod för att producera fotonpar som inte visar kvantmekaniska, men bara klassiska energikorrelationer. I ett experiment, ett forskarlag vid Institutet för tillämpad fysik vid universitetet i Bern har nu lyckats omvandla de observerade korrelationerna mellan fotonpar från rent kvantmekaniska till helt klassiska. Denna övergång representerar en nyhet, eftersom kvant- och klassiska korrelationer är svåra att förena. Forskarna kunde demonstrera övergången i ett experiment med en ny metod där de kunde kontrollera korrelationen mellan energierna hos två fotoner. Resultaten publicerades i tidskriften Naturkommunikationsfysik .

Skakar fotonerna

Fotonernas intrassling är en så kallad "energi-tid intrassling, " eftersom fotonerna korrelerar med avseende på både emissionstiden och energin. Båda korrelationerna kan observeras experimentellt och gör det möjligt att dra slutsatser om varandra. Men eftersom forskarna bara ville detektera korrelationerna i tid för fotonparen, de var tvungna att ta i sin påse med tricks:"För att bilda sådana par, vi skakade slumpmässigt fotonerna, så att säga, " förklarar doktor Stefan Lerch, huvudförfattare till studien. Genom att göra det, forskarna framkallade en störning. "Ju mer störning tillkom, desto mindre betedde sig fotonerna på ett kvantmässigt sätt."

För att ändra fotonernas kvanttillstånd, forskarna använde sig av tekniker som vanligtvis används för att forma ultrakorta laserpulser. "Kunskapen, som utvecklades vid universitetet i Bern inom ramen för NCCR MUST var avgörande för att uppnå den exakta kontroll som behövdes, " konstaterar studiens medförfattare Prof. Dr. André Stefanov.

Den mest lovande potentiella tillämpningen av energi-tid intrasslade fotoner är spektroskopi, en fysikalisk metod för att undersöka egenskaper hos molekyler med ljus. "Jag förväntar mig att intrasslad fotonspektroskopi är ett banbrytande nytt sätt att utföra optisk spektroskopi, " säger André Stefanov. Det återstår dock att experimentellt demonstreras. Resultaten från Berner forskarna är ett viktigt steg på denna väg. "Jag är övertygad om att en sådan uppställning kommer att vara en viktig komponent i framtida kvantspektroskopiexperiment, ", tillägger André Stefanov.