När den digitala revolutionen nu har blivit mainstream, kvantberäkning och kvantkommunikation ökar i fältets medvetande. De förbättrade mätteknikerna som möjliggörs av kvantfenomen, och möjligheten till vetenskapliga framsteg med hjälp av nya metoder, är av särskilt intresse för forskare runt om i världen.

Nyligen två forskare vid Tammerfors universitet, Docent Robert Fickler och doktorand Markus Hiekkamäki, visade att tvåfotoninterferens kan kontrolleras på ett nästan perfekt sätt med hjälp av fotonens rumsliga form. Deras resultat publicerades nyligen i den prestigefyllda tidskriften Fysiska granskningsbrev.

"Vår rapport visar hur en komplex ljusformningsmetod kan användas för att få två ljuskvanter att interferera med varandra på ett nytt och enkelt justerbart sätt, " förklarar Markus Hiekkamäki.

Enstaka fotoner (ljusenheter) kan ha mycket komplexa former som är kända för att vara fördelaktiga för kvantteknologier som kvantkryptografi, superkänsliga mätningar, eller kvantförstärkta beräkningsuppgifter. För att använda dessa så kallade strukturerade fotoner, det är avgörande att få dem att störa andra fotoner.

"En avgörande uppgift i i stort sett alla kvantteknologiska tillämpningar är att förbättra förmågan att manipulera kvanttillstånd på ett mer komplext och tillförlitligt sätt. Inom fotonisk kvantteknologi, denna uppgift innebär att ändra egenskaperna hos en enskild foton samt att störa flera fotoner med varandra," säger Robert Fickler, som leder gruppen Experimentell kvantoptik vid universitetet.

Linjär optik ger lovande lösningar för kvantkommunikation

Den påvisade utvecklingen är särskilt intressant ur synvinkeln av högdimensionell kvantinformationsvetenskap, där mer än en enda bit av kvantinformation används per bärare. Dessa mer komplexa kvanttillstånd tillåter inte bara kodning av mer information på en enda foton utan är också kända för att vara mer brusbeständiga i olika inställningar.

Metoden som presenteras av forskarduon lovar att bygga nya typer av linjära optiska nätverk. Detta banar väg för nya scheman för fotonisk kvantförbättrad beräkning.

"Vår experimentella demonstration av att gruppera två fotoner i flera komplexa rumsliga former är ett avgörande nästa steg för att tillämpa strukturerade fotoner på olika kvantmetrologiska och informationsuppgifter, " fortsätter Markus Hiekkamäki.

Forskarna siktar nu på att använda metoden för att utveckla nya kvantförstärkta avkänningstekniker, samtidigt som man utforskar mer komplexa rumsliga strukturer av fotoner och utvecklar nya tillvägagångssätt för beräkningssystem som använder kvanttillstånd.

"Vi hoppas att dessa resultat inspirerar till mer forskning om de grundläggande gränserna för fotonformning. Våra fynd kan också utlösa utvecklingen av ny kvantteknologi, t.ex. förbättrad brustolerant kvantkommunikation eller innovativa kvantberäkningssystem, som drar nytta av sådana högdimensionella fotoniska kvanttillstånd, ", tillägger Robert Fickler.