När man undersöker de subtila effekterna av kvantmekanik, alla parametrar i systemet och dess mätningar måste finjusteras för att observera resultatet du hoppas på. Så vad händer när du gör allt för att upptäcka vad du minst förväntar dig? Forskare vid MIT och Purdue University i U.S. Resultaten kan ge den saknade länken som knuffar ett antal kvantnätstekniker närmare praktisk användning.

Kvantteknikprotokoll syftar generellt till att maximera interaktionsstyrkor, men att förbereda dessa intrasslade system kan vara mycket svårt. "Vi ställde frågan, kan vi göra svaga interaktioner till mycket starka interaktioner på något sätt? "förklarar Vladan Vuletic, Vargprofessor i fysik vid MIT. "Du kan, och priset är, de händer inte ofta. "

Effekterna Vuletic och kollegor observerar gångjärn på de faktorer som matas in i "förväntningsvärden" för kvantexperiment. Förväntningsvärden beskriver det genomsnittliga utfallet av ett kvantscenario och motsvarar produkten av varje möjligt värde och dess sannolikhet. Vuletic och hans medarbetare fokuserade sina studier på scenarier där genomsnittet domineras av sällsynta händelser, som ett lotteri där alla i genomsnitt vinner en liten summa, även om det faktiskt är bara ett fåtal människor vinner enorma belopp. Inom kvantmekanik, ljus tar också ibland vägen mindre färdad, och som forskarna visar, detta kan verkligen göra skillnad.

Forskarna hade tittat på interaktionerna mellan fotoner - en signalfoton och en tillhörande foton - efter olika vägar genom en ensemble av kalla atomer i ett hålrum. Varje foton kan interagera med atomerna, och att interaktionen bär signaturen på hur den andra fotonen har interagerat, ger en indirekt interaktion mellan de två fotonerna. Interaktioner lämnar berättartecken i foton, som ett fasskifte, som medan noll vid resonans blir positiv eller negativ från resonans beroende på vilken sida av systemets resonans parametrarna är inställda på.

Mahdi Hosseini vid Purdue University förklarar att de noterade ett genomsnittligt fasskifte när de hade studerat interaktionen. "Jag kommer ihåg att Vladan sedan gjorde en beräkning en natt, och skickade den till oss, och vi tittade på det, och inledningsvis Jag trodde att det inte kunde fungera, "säger Hosseini. Beräkningen föreslog överraskande resultat för en regim där det var stor sannolikhet för en extra fotonmätning som är förknippad med en låg fasförskjutning i signalstrålen (som kan vara fallet nära resonans). Vid de sällsynta tillfällen som detta är inte den mätning som registrerats för den tillhörande fotonen, fasskiftet för signalstrålen måste vara stort så att produkten med den låga sannolikheten fortfarande uppfyller förväntningsvärdet.

Vad är mer, genom detta fenomen, parametrarna som valts för att mäta tillhörande foton kan i hög grad påverka fasskiftresultatet för signalfoton trots svaga interaktioner mellan de två, något forskarna beskriver som "inbjuden fotonkontroll". Med noggrann manipulation av systemparametrarna för att justera experimentregimen, forskarna kunde observera effektteorin hade förutspått.

"Vi var mer upphetsade än förvånade, "säger Hosseini." Naivt, när man tittar på genomsnittet, du förväntar dig inte att se något fasskifte vid resonans, inte ens ett litet fasskifte; du förväntar dig att inte se någon. Men det visar sig att genom att ändra mätprocessen, du kan ändra detta till mycket interaktiva tillstånd, och det var förvånande. "

Forskarna påpekar att protokoll som också förstärker signaler har demonstrerats i andra system genom "ljudlös förstärkning" och "svaga mätningar." Dessa protokoll erbjuder förbättringar med faktorer mellan två och fem, med en mycket liten sannolikhet. "Om trovärdigheten gånger sannolikheten är mycket mindre än 50%, det är inte riktigt användbart för avkänning, till exempel, "förklarar Hosseini. Däremot, Hosseini, Vuletic och deras medarbetare kunde visa fasskift upp till π/2 där det genomsnittliga fasskiftet är π/80 och förstärkningen av fotonet med en faktor på cirka 30. Medan dessa händelser förblir sällsynta, sannolikheten är mer lovande för praktiska tillämpningar.

"Innan, människor hade tänkt på denna ljudlösa förstärkning och varje fasförskjutning som helt olika områden, "tillägger Vuletic." Vi har visat att det är samma sak, och du kan ha en liten förändring av parametrar för att gå från fasskift till vinst. "

Det finns många nya kvantnätteknologier som står inför en stötesten i avsaknad av praktisk teknik för att förstärka signaler, såsom kvantkommunikation på långa avstånd, eller vid anslutning av flera kvantdatorer, var och en med ett hanterbart antal qubits för att öka bearbetningskapaciteten. "Förluster och avkänning är alltid ett problem, säger Vuletic.

Medan Vuletic nu arbetar med "superatomer" som kan öka fotonkopplingen, Hosseinis arbete sprider den messigare världen av fast tillstånd för att replikera fenomenen i kristaller med sällsynta jordjoner. Dessa system är inte lika rena eftersom det inte är möjligt att ha så exakt kunskap om miljön runt jonerna som för helt homogena atomer. Dock, om principen kan demonstreras i dessa system, det kan erbjuda en mer praktisk grund för applikationer och till och med multiplexera effekterna för att lägga till sannolikheterna för varje scenario.

© 2020 Science X Network