Bra grannar delar ofta resurser:en kopp socker, extra gräsmatta, en uppsättning bygelkablar. Forskare över campus vid University of Arizona kommer snart att kunna dela en mindre vanlig – och mycket mer värdefull – resurs för att hjälpa dem att fortsätta sin forskning:intrasslade fotoner, eller sammankopplade par av ljuspartiklar.

Med cirka 1,4 miljoner dollar i finansiering - 999 dollar, 999 från National Science Foundation och cirka $ 400, 000 från UA - professor Zheshen Zhang leder konstruktionen av det tvärvetenskapliga instrumentet Quantum Information Research and Engineering, känd som Fråga, vid UA. Inquire är världens första delade forsknings- och utbildningsinstrument för att hjälpa forskare inom olika områden – inklusive de utan expertis inom kvantinformationsvetenskap – dra nytta av kvantresurser.

Zhang är biträdande professor i materialvetenskap och teknik och optiska vetenskaper, och ledare för Quantum Information and Materials Group vid UA. Medutredarna av Inquire-projektet inkluderar Ivan Djordjevic, professor i el- och datorteknik och optiska vetenskaper; Jennifer Barton, direktör för BIO5 Institute och professor i biomedicinsk teknik, biosystemteknik, el- och datateknik, och optiska vetenskaper; Nasser Peyghambarian, professor i optiska vetenskaper; och Marek Romanowski, docent i biomedicinsk teknik, och materialvetenskap och teknik.

Ett nätverk av fiberoptiska kablar ansluter ett automatiserat kvantinformationsnav i källaren i byggnaden för el- och datateknik till fyra andra byggnader på campus:Biosciences Research Labs, Gruvor och metallurgi, Fysik och atmosfäriska vetenskaper, och Meinel Optical Sciences.

"En av glädjen med UA är att samarbeta med toppforskare som arbetar inom banbrytande områden, "Sa Barton." Det verkar som science fiction, men Zheshen bygger en anläggning som kommer att skapa kvantintrasslade fotoner, leverera dem sedan via fiberoptik halvvägs över campus, direkt in i Translational Bioimaging Resource i Biosciences Research Labs -byggnaden. "

"Detta är ett spännande projekt som perfekt representerar några av de viktigaste teman som ligger bakom vår strategiska plan, "sade UA:s president Robert C. Robbins." Att vara ledare i den fjärde industriella revolutionen, vi måste utnyttja samarbete, ligga före teknologikurvan och ge en kraftfull miljö där forskare har de verktyg de behöver för att lösa världens stora utmaningar. Jag ser fram emot att se de nya möjligheter den här anläggningen ger när den är färdigställd."

Bygget av projektet har redan påbörjats. Förväntat slutdatum är september 2021.

Att se enskilda fotoner

Ungefär som en atom är den minsta materiaenheten, en foton är den minsta ljusenheten. Så, medan vi kan se ljuset för tiotals miljarder fotoner i ett rum upplyst av en lampa eller en innergård upplyst av solen, det mänskliga ögat - och de flesta mikroskop - kan inte se enskilda fotoner. Men ibland kan den här informationen som är för liten för att ses vara viktig. Till exempel, ett biomedicinskt ingenjörslabb kan göra en bildstudie på ett protein eller en organisk molekyl som avger en signal som är för svag för traditionella kameror att se.

"Du kan skicka dina fotoner till kärnanläggningen, som är utrustad med en rad ultrakänsliga kameror som kan se saker på en fotonnivå, "Sa Zhang.

Traditionellt, forskare använde kraftfulla lasrar för att belysa dessa biologiska prover, som ibland skadades i processen. Att använda intrasslade fotoner som en belysningskälla ger högre känslighet, mindre ljusstyrka, och samma - eller ännu högre - upplösning.

"Två intrasslade fotoner kan vara värda en miljon av deras klassiska bröder, potentiellt tillåter oss att avbilda djupare utan att skada vävnad, sa Barton.

Högprecisionsundersökning

Dessa fiberoptiska kablar är en tvåvägsgata. Forskare kan skicka sina fotoner till det centrala navet för att avbildas av högteknologiska mikroskop, men centrum kan också dela intrasslade fotoner med laboratorier över campus.

Intrasslade fotoner är sammankopplade par. Även när de är åtskilda av stora avstånd, allt som händer med en foton i ett intrasslat par kommer också att överföras till den andra.

Denna relation har flera användningsområden. Till exempel, forskare kan använda fotoner som sonder för att bestämma arten av oidentifierade material. De förändringar som ett material introducerar för en foton, som en färgändring, ge ledtrådar till materialets identitet. När en intrasslad foton i ett par används som en sond, materialet introducerar förändringar av båda fotonerna i det intrasslade paret.

"Nu kan du utföra en mätning på båda fotonerna för att lära dig om provet som sonderas, "Zhang sa." Du kan ha dubbelt så mycket information om hur materialet påverkar fotonen. "

Säker kommunikation

Entangled fotoner kan också användas i kvantkommunikation, en säker metod för att skicka och ta emot data som är utformad för att förhindra avlyssning. Det fungerar så här:Innan part A delar känslig information med part B, Part A skickar en "kvantnyckel, " en serie intrasslade fotoner som fungerar som koden för att dekryptera framtida överföringar. Kvantnycklar är designade så att själva handlingen att dekryptera eller läsa deras innehåll ändrar deras innehåll.

Om kvantnyckeln kommer med några delar dekrypterade, de kommunicerande parterna vet att de inte ska använda den delen av nyckeln för att kryptera framtida överföringar, eftersom det har "lästs" av hackare. De kommunicerande parterna kan helt enkelt klippa ut den delen av nyckeln och använda en ny, kortare kvantnyckel de vet är säker.

Parti A och parti B i exemplet ovan behöver inte vara kvantinformationsforskare. Forskare inom alla typer av discipliner kan dra nytta av de unika egenskaperna hos intrasslade fotoner, och Enquires mål är att tillåta just det.

"Detta är ett nyckelområde som National Science Foundation identifierar som en av sina 10 stora idéer och verkligen vill driva framåt eftersom det är så tvärvetenskapligt, " sade Zhang. "Det involverar forskare över vetenskapens gränser, teknik, datavetenskap, fysik, kemi, matematik, optik - överallt. Nyckelfrågan är 'Hur kan alla tala samma språk, och hur kan de dra nytta av de framsteg som gjorts på andra områden? '"