De minsta bitarna av naturen - enskilda partiklar som elektroner, till exempel - är ganska utbytbara. En elektron är en elektron är en elektron, oavsett om det sitter fast i ett laboratorium på jorden, bunden till en atom i något kalkigt måndamm eller skjuten ut ur ett extragalaktiskt svart hål i en överhettad jet. I praktiken, fastän, skillnader i energi, rörelse eller plats kan göra det enkelt att skilja mellan två elektroner.

Ett sätt att testa likheten mellan partiklar som elektroner är att föra dem samman samtidigt och på samma plats och leta efter störningar - en kvanteffekt som uppstår när partiklar (som också kan bete sig som vågor) möts. Denna störning är viktig för allt från grundläggande tester av kvantfysik till snabba beräkningar av kvantdatorer, men för att skapa det krävs utsökt kontroll över partiklar som inte går att skilja.

Med sikte på att lätta på dessa krav, forskare vid Joint Quantum Institute (JQI) och Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS) har sträckt ut flera fotoner - kvantpartiklarna av ljus - och förvandlat tre olika pulser till överlappande kvantvågor. Arbetet, som publicerades nyligen i tidningen Fysiska granskningsbrev , återställer störningen mellan fotoner och kan så småningom möjliggöra en demonstration av en viss typ av kvantöverlägsenhet - en klar hastighetsfördel för datorer som kör kvantfysikens regler.

"Även om fotoner inte direkt interagerar med varandra, när de träffas kan de uppvisa en rent kvantfunktion från klassisk, icke-kvantvågor, "säger JQI -stipendiat Mohammad Hafezi, en medförfattare av tidningen och en docent i fysik och el- och datorteknik vid University of Maryland.

Dessa dagar, att testa likheten mellan fotoner är rutin. Det handlar om att föra dem samman vid en enhet som kallas en stråldelare och mäta ljuset som kommer ut på andra sidan.

När en enda foton träffar en balanserad stråldelare, det finns en 50 procent chans att den kommer att resa rakt igenom och en 50 procent chans att den kommer att reflektera snett. Genom att placera detektorer i dessa två möjliga vägar, forskare kan mäta åt vilket håll enskilda fotoner hamnar.

Om två identiska fotoner möts vid stråldelaren, med en som reser i öster och den andra i norr, det är frestande att applicera samma behandling för varje partikel individuellt. Det är sant att båda fotonerna har lika stor chans att resa genom eller reflektera, men eftersom fotonerna inte går att skilja, det är omöjligt att säga vilken som går vart.

Resultatet av denna identitetsförvirring är att två av de möjliga kombinationerna - de där båda fotonerna rör sig rakt genom stråldelaren och båda fotonerna reflekterar - avbryter varandra, lämnar ett tydligt kvantresultat efter sig:Fotonerna går ihop och reser som ett par, hamnar alltid vid en av de två detektorerna tillsammans.

Nu har Hafezi och hans kollegor från UMD och University of Portsmouth observerat en liknande störningseffekt med urskiljbara fotoner - ljuspulser som bara är två pikosekunder långa (en pikosekund är en biljonedel av en sekund) som separeras med tiotals pikosekunder. Det viktiga tricket var att hitta ett sätt att göra pulserna mindre urskiljbara så att de kunde störa.

"Vi använde ett enda optiskt element som i grunden är en fiber, "säger Sunil Mittal, en postdoktor vid JQI och medförfattare till den nya uppsatsen. "Det emulerar motsvarande cirka 150 kilometer fiber, som sträcker fotonerna. Det fungerar lite som ett objektiv i omvänd ordning, orsakar att olika frekvenser i pulserna sprids och defokuserar. "

Genom att förlänga varje foton med en faktor på cirka 1000, forskarna kunde effektivt radera tidsfördröjningen mellan pulser och skapa stora delar av överlappning. Den överlappningen gjorde det mer troligt att fotoner skulle komma till detektorer samtidigt och störa varandra.

Tidigare experiment (inklusive av JQI och QuICS -stipendiat Christopher Monroe och medarbetare) har framgångsrikt stört urskiljbara fotoner, men dessa resultat krävde flera kanaler för det inkommande ljuset - en för varje foton. Det nya verket använder bara en enda kanal som bär ljus vid vanliga telekomfrekvenser, som författarna säger tillåter deras system att enkelt skala till att inkludera många fler fotoner.

Att ha fler fotoner skulle göra det möjligt för forskare att studera bosonprovtagning, ett beräkningsproblem som anses vara för svårt för vanliga datorer (liknande det problem som Google ryktas ha löst). I sin standardform, bosonprovtagning gäller fotoner - som är medlemmar i en familj av partiklar som kallas bosoner - som tar sig igenom ett stort nätverk av stråldelare. Fotonerna kommer in i nätverket via olika kanaler och går ut till detektorer, med en detektor per kanal.

Bosonprovtagningens "problem" innebär att göra en komplicerad myntvändning, eftersom varje experiment provar från den underliggande chansen att (säg) tre fotoner som kommer in i nätverket vid port 1, 2 och 5 hamnar på utgång 2, 3 och 7. Störningen i nätverket är komplex och omöjlig att spåra med en vanlig dator - även för blygsamma antal fotoner - och det blir svårare ju fler fotoner du lägger till. Men med riktiga fotoner i ett riktigt nätverk, problemet skulle lösa sig själv.

"Anslutningen av detta experiment till bosonprovtagning är ett bra exempel på hur den växande synergin mellan kvantfysik med många kroppar och beräkningskomplexitetsteori kan leda till stora framsteg inom båda områdena, "säger JQI och QuICS -stipendiat Alexey Gorshkov, en adjungerad docent i fysik vid UMD och en annan medförfattare till uppsatsen.

Men fram tills nu, bosonprovtagningsexperiment har lidit av problemet med skalbarhet:Att lösa problemet för fler fotoner innebar att man lägger till fler kanaler, vilket innebar att ta mer plats och tajma ankomst för ännu fler fotoner för att säkerställa deras störningar. Mittal säger att deras teknik potentiellt löser båda dessa problem.

"I vårt system, ingångarna behöver inte vara i olika fibrer, "Mittal säger." Alla fotoner kan färdas i en enda fiber och tidsskillnaderna kan raderas med samma metod som vi redan har visat. "En annan off-the-shelf-enhet kan efterlikna nätverket av stråldelare, med den extra fördelen att möjliggöra enkel omkonfigurering, Säger Mittal. "Vi gör inte bosonprovtagning nu, men det skulle vara relativt lätt att gå åt det hållet. "