Partiklar kan ibland agera som vågor, och fotoner (ljuspartiklar) är inget undantag. Precis som vågor skapar ett interferensmönster, som krusningar på en damm, så gör fotoner. Fysiker från National Institute of Standards and Technology (NIST) och deras kollegor har uppnått en stor ny bedrift - att skapa en bisarr "kvantinterferens" mellan två fotoner med markant olika färger, kommer från olika byggnader på University of Maryland campus.

Experimentet är ett viktigt steg för framtida kvantkommunikation och kvantberäkning, som potentiellt kan göra saker som klassiska datorer inte kan, som att bryta kraftfulla krypteringskoder och simulera beteendet hos komplexa nya läkemedel i kroppen. Interferensen mellan två fotoner kan ansluta avlägsna kvantprocessorer, möjliggör ett internetliknande kvantdatornätverk.

Att använda fotoner som ursprungligen hade olika färger (våglängder) är viktigt eftersom det efterliknar hur en kvantdator skulle fungera. Till exempel, fotoner med synligt ljus kan interagera med fångade atomer, joner eller andra system som fungerar som kvantversioner av datorminne medan fotoner med längre våglängd (nära-infraröd) kan fortplanta sig över långa avstånd genom optiska fibrer.

Precis som klassiska datorer behövde pålitliga sätt att sända, lagra och bearbeta elektroner innan komplex, nätverksbaserad datoranvändning var möjlig, NIST-resultatet för utbytet av kvantberäkningsinformation ett viktigt steg närmare verkligheten.

I deras studie, ett samarbete mellan NIST och Army Research Laboratory, fysiker och ingenjörer i intilliggande byggnader vid University of Maryland skapade två olika och separata källor för individuella fotoner. I en byggnad, en grupp rubidiumatomer uppmanades att sända ut enstaka fotoner med en våglängd på 780 nanometer, vid den röda änden av spektrumet av synligt ljus. I den andra byggnaden, 150 meter bort, en infångad jon av barium inducerades att emittera fotoner med en våglängd på 493 nanometer – nästan 40 procent kortare – mot den blå änden av spektrumet.

Sedan fick forskarna göra de blå fotonerna döda ringsignaler för de röda. Att göra detta, Alexander Craddock, Trey Porto och Steven Rolston från Joint Quantum Institute, ett partnerskap mellan NIST och University of Maryland, och deras kollegor blandade de blå fotonerna med infrarött ljus i en speciell kristall. Kristallen använde det infraröda ljuset för att dölja de blå fotonerna till en våglängd som matchade de röda i den andra byggnaden samtidigt som de i övrigt bevarade deras ursprungliga egenskaper. Först då skickade laget fotonerna genom en 150 meter lång optisk fiber för att möta de nästan identiska röda fotonerna i den andra byggnaden.

Fotonerna var så lika att det inte gick att skilja dem åt i experimentuppställningen. Individuella fotoner verkar vanligtvis oberoende av varandra. Men på grund av ljusets speciella kvantnatur, när två oskiljbara fotoner stör varandra, deras vägar kan bli korrelerade, eller beroende av varandra. Sådan kvantkorrelation kan användas som ett kraftfullt verktyg för beräkning.

Säker nog, forskarna observerade denna korrelation när par av de separat producerade fotonerna korsade varandra. Fotonparen passerade genom en optisk komponent känd som en stråldelare, som skulle kunna skicka dem i en av två vägar. Att agera ensam, varje foton skulle göra sin egen grej och skulle ha en 50-50 chans att gå igenom någon av vägarna. Men de två oskiljaktiga fotonerna överlappade varandra som vågor. På grund av deras bisarra kvantstörningar, de höll ihop och gick alltid på samma väg. Förenar sig med dessa en gång oberoende fotoner vid höften, denna interferenseffekt kan potentiellt utföra många användbara uppgifter vid bearbetning av kvantinformation.

Forskarna rapporterade sina resultat på nätet i en ny utgåva av Fysiska granskningsbrev .

En direkt koppling till kvantberäkning skulle komma om interferensmönstret är kopplat till en annan bisarr egenskap hos kvantmekaniken känd som entanglement. Detta fenomen uppstår när två eller flera fotoner eller andra partiklar framställs på ett sådant sätt att en mätning av en viss egenskap, t.ex. momentum - den ena bestämmer automatiskt samma egenskap hos den andra, även om partiklarna är långt ifrån varandra. Entanglement ligger i hjärtat av många kvantinformationssystem, inklusive kvantberäkning och kryptering.

I lagets experiment, de två fotonerna var inte intrasslade med systemen som genererade dem. Men i framtida studier, sa Porto, det borde vara relativt lätt att trasssla in de röda fotonerna med gruppen av rubidiumatomer som producerade dem. Liknande, de blå fotonerna kunde trasslas in i den instängda jonen som producerade dem. När de två fotonerna stör, den anslutningen skulle överföra intrasslingen mellan röda foton-rubidiumatomer och blå foton-joner för att bli en intrassling mellan rubidiumatomerna och den instängda jonen.

Det är denna överföring av trassel - denna överföring av information - som ligger till grund för den potentiellt stora kraften hos kvantdatorer, Porto noterade.