Kvantobjekt, som elektroner och fotoner, beter sig annorlunda än andra objekt på sätt som möjliggör kvantteknologi. Däri ligger nyckeln till att låsa upp mysteriet med kvantintrassling, där flera fotoner finns i flera lägen eller frekvenser.
Vid utövandet av fotonisk kvantteknologi har tidigare studier fastställt användbarheten av Fock-tillstånd. Dessa är multifoton, multimodstillstånd som möjliggörs genom att på ett smart sätt kombinera ett antal enfotoningångar med hjälp av så kallad linjär optik. Vissa väsentliga och värdefulla kvanttillstånd kräver dock mer än detta foton-för-foton-tillvägagångssätt.
Nu har ett team av forskare från Kyoto University och Hiroshima University teoretiskt och experimentellt bekräftat de unika fördelarna med icke-Fock-tillstånd - eller iNFS - komplexa kvanttillstånd som kräver mer än en enda fotonkälla och linjära optiska element. Studien är publicerad i tidskriften Science Advances .
"Vi har framgångsrikt bekräftat förekomsten av iNFS med hjälp av en optisk kvantkrets med flera fotoner", säger motsvarande författare Shigeki Takeuchi vid Graduate School of Engineering.
"Vår studie kommer att leda till genombrott inom tillämpningar som optiska kvantdatorer och optisk kvantavkänning", tillägger medförfattaren Geobae Park.
Fotonen är en lovande bärare eftersom den kan sändas över långa avstånd samtidigt som den bevarar sitt kvanttillstånd vid konstant rumstemperatur. Att utnyttja många fotoner i flera lägen skulle förverkliga optisk kvantkryptografi på långa avstånd, optisk kvantavkänning och optisk kvantberäkning.
"Vi genererade mödosamt en komplex typ av iNFS genom att använda vår Fourier-transformeringsfotoniska kvantkrets för att manifestera två fotoner i tre olika vägar, vilket är det mest utmanande fenomenet med villkorlig koherens att uppnå", förklarar medförfattaren Ryo Okamoto.
Dessutom jämförde denna studie ett annat fenomen med den allmänt tillämpade kvantentrasslingen, som uppträder och försvinner genom att bara korsa ett enda linjärt optiskt element. Kvantintrassling är ett kvanttillstånd med två eller flera korrelerade tillstånd i en överlagring mellan två separata system.
"Överraskande nog visar den här studien att iNFS-egenskaper inte förändras när de passerar genom ett nätverk av många linjära optiska element, vilket markerar ett språng inom optisk kvantteknologi", konstaterar medförfattaren Holger F Hofmann vid Hiroshima University.
Takeuchis team hävdar att iNFS uppvisar villkorlig koherens, ett något mystiskt fenomen, där detektering av ens en foton betyder att de återstående fotonerna finns i en superposition av flera vägar.
"Vår nästa fas är att realisera flerfoton i större skala, multimodstillstånd och optiska kvantkretschips", meddelar Takeuchi.
Mer information: Geobae Park et al, Realisering av fotonkorrelationer bortom den linjära optiska gränsen, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj8146
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Kyoto University
