Ett internationellt team av forskare från Leibniz University Hannover (Tyskland) och University of Strathclyde i Glasgow (Storbritannien) har motbevisat ett tidigare hållet antagande om inverkan av multifotonkomponenter i interferenseffekter av termiska fält (t.ex. solljus) och parametriska enstaka fotoner (genereras i icke-linjära kristaller). Tidskriften Physical Review Letters har publicerat teamets forskning.
"Vi bevisade experimentellt att interferenseffekten mellan termiskt ljus och parametriska enstaka fotoner också leder till kvantinterferens med bakgrundsfältet. Av denna anledning kan bakgrunden inte bara försummas och subtraheras från beräkningar, vilket har varit fallet hittills." säger Prof. Dr. Michael Kues, chef för Institute of Photonics och styrelseledamot för PhoenixD Cluster of Excellence vid Leibniz University Hannover.
Den ledande vetenskapsmannen var Ph.D. student Anahita Khodadad Kashi, som forskar om fotonisk kvantinformationsbehandling vid Institute of Photonics. Hon undersökte hur synligheten av den så kallade Hong-Ou-Mandel-effekten, en kvantinterferenseffekt, påverkas av multifotonkontamination.
"Med vårt experiment har vi motbevisat det tidigare giltiga antagandet att multifotonkomponenter bara skulle försämra sikten och därför kan subtraheras i beräkningen", säger Khodadad Kashi. "Vi har upptäckt en ny fundamental egenskap som inte beaktades i tidigare beräkningar. Vår nyutvecklade modell kan förutsäga kvantinterferensen och vi kan mäta denna effekt i ett experiment."
Forskarna kom över deras upptäckt när de utförde ett experiment i laserlaboratoriet. De fick ett negativt resultat när de till en början följde den ursprungliga beräkningsmetoden. "Men resultatet skulle ha varit fysiskt omöjligt", säger Khodadad Kashi. Tillsammans började teamet felsöka experimentuppställningen och beräkningsmodellen.
"När ett experiment visar sig mycket annorlunda än vad som förväntas, börjar forskare ifrågasätta tidigare antaganden och letar efter nya förklaringar", säger Kues.
De utvecklade tillsammans sin nya teori om kvantinterferens av termiska fält med parametriska enstaka fotoner. Kvantforskaren Lucia Caspani från University of Strathclyde i Glasgow var den första som testade tillvägagångssättet. Som nästa steg presenterade Khodadad Kashi sin teori och de experimentella resultaten vid internationella konferenser, inklusive Photonics West i San Francisco. Där diskuterade hon sin modell med andra forskare och fick bekräftelse på sina resultat.
Med den nya teorin och den experimentella verifieringen har Kues team gjort ett viktigt bidrag till en bättre förståelse av kvantfenomen. "Fynden kan vara viktiga för distribution av kvantnyckel, vilket är nödvändigt för säker kommunikation i framtiden, särskilt hur kvantinterferenseffekter tolkas för generering av hemliga nycklar", säger Khodadad Kashi.
Många frågor förblir dock obesvarade, säger Kues. "Lite forskning har gjorts om multifotoneffekter, så mycket arbete behövs fortfarande."
Mer information: Anahita Khodadad Kashi et al, Spectral Hong-Ou-Mandel Effect between a Heralded Single-Photon State and a Thermal Field:Multiphoton Contamination and the Nonclassicality Threshold, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.233601
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av Leibniz University Hannover
