Corelare cuanticaFizica cuantică prezintă o serie de trăsături contraintuitive, cum ar fi inseparabilitatea, efectul tunel şi, cum s-a demonstrat în cadrul experimentelor cu două fante, dualitatea undă-particulă. În continuare, despre experimentele de radiere cuantică.

 

 


Despre Einstein şi inseparabilitatea cuantică: Radierea cuantică şi dualitatea undă-particulă

Atunci când studiem dualitatea undă-particulă avem de-a face cu aşa-numitele experimente interferometrice de radiere cuantică – în cadrul cărora comportamentul tip undă poate fi restabilit prin ştergerea informaţilor cu privire la rută – ceea ce le permite cercetătorilor să efectueze măsurători diferenţiale asupra fiecăruia dintre sistemele cuantice corelate. (Experimentele cu două fante care nu utilizează radiera cuantică folosesc superpoziţia de particule individuale, în timp ce în cadrul experimentelor cu radiera cuantică, cele două particule sunt corelate cuantic).

Concret, informaţia de tip "welcher-weg" ("care-rută") asociată particulei este ştearsă (sau nu) dintr-un sistem, iar măsurătorile bazate pe interferenţe din celălalt sistem sunt folosite pentru a observa (sau nu, după caz) caracteristica sa de undă.

Radiera cuantica. Schita concept

Conceptul nostru de ”radieră” cuantică conform condiţiilor poziţionării lui Einstein. Sursa perechii hibride de fotoni corelaţi cuantic etichetată cu S, emite rutele de polarizare ale perechilor de fotoni corelaţi. Fotonii de sistem se propagă prin intermediul unui interferometru (dreapta), iar fotonii de mediu sunt supuşi măsurătorilor de polarizare (stânga). Alegerea pentru a dobândi informaţii de tip ”welcher-weg” ("care-rută") sau pentru a obţine interferenţa fotonilor de sistem este efectuată conform condiţiilor localităţii lui Einstein, astfel încât nu există influenţe cauzale între fotonii de sistem şi cei de mediu.

Credit imagine: PNAS, doi:10.1073/pnas.1213201110 (clic pe imaginea de mai sus pentru dimensiune maximă)


În timp ce experimentele anterioare cu radiere cuantică decideau înainte (în experimentele cu alegere întârziată) sau după interferenţă – permiţând astfel comunicarea dintre ştergere şi interferenţă în ambele sisteme – cercetătorii din grupul Prof. Anton Zeilinger de la Academia de Ştiinţe din Austria şi de la Universitatea din Viena au anunţat recent reuşita unui experiment de radiere cuantică prin care au împiedicat această posibilitate de comunicare prin impunerea localităţii lui Einstein. Ei au reuşit acest lucru folosind o rută  de polarizare a perechii hibride de fotoni corelaţi cuantic, distribuită de-a lungul unei fibre optice de 55 de metri în cadrul primului experiment, iar în cel de al doilea distribuită pe o conexiune de 144 de km. Alegerea măsurătorilor de polarizare pentru un foton a decis dacă partenerul său a urmat în chip de particulă o rută definită, sau dacă această informaţie cu privire la rută a fost ştearsă şi a apărut interferenţa caracteristică undelor. Ei au ajuns la concluzia că deoarece cele două sisteme corelate cuantic sunt deconectate ocazional în ceea ce priveşte opţiunea cu privire la radiere, dualitatea undă-particulă este o trăsătură ireductibilă în sistemele cuantice, pentru care nu există nicio explicaţie realistă naivă.

Concepţia generală potrivit căreia un foton se comportă întotdeauna în mod categoric fie ca o undă, fie ca o particulă  ar necesita o comunicare mai rapidă decât viteza luminii, şi, prin urmare, ar trebui să se renunţe la a o descrie ca pe un comportament cuantic. Ce înseamnă acest lucru pentru oamenii de ştiinţă care descriu o stare cuantică fără a se baza doar pe matematică?  O modalitate, potrivit Dr. Xioa-Song Ma, autorul coordonator al lucrării, este observarea stării cuantice, cum a scris şi Erwin Schrödinger, ca un catalog al anticipaţiilor sau o suma a cunoştinţelor – adică o listă a probabilităţilor pentru toate rezultatele de măsurare posibile. Dacă rezultatul fiecărei măsurători individuale indică o undă, o particulă sau o superpoziţie a acestora, depinde de contextul stării şi al măsurătorii respective.

Dr. Ma a explicat pentru Phys.org toate greutăţile pe care le-a avut de înfruntat pe parcursul acestei cercetări, împreună cu Prof. Anton Zeilinger şi colegii săi. ”Principala problemă cu care ne-am confruntat în cadrul experimentului nostru a fost  aranjarea evenimentelor individuale astfel încât diferitele configuraţii spaţiu-timp, inclusiv condiţia de localitate a lui Einstein, să fie îndeplinite”, a spus Dr. Ma. ”Pentru a obţine toate acestea am avut nevoie de laboratoare separate, de un generator de numere aleatorii cuantice, un modulator electro-optic extrem de rapid,  producerea de întârzieri optice şi electrice precise precum şi de alte tehnici sofisticate. O altă provocare a fost utilizarea unor rute hibride de polarizare a perechilor de fotoni distribuite de-a lungul fibrei optice şi al conexiunilor din spaţiul liber.”

”Pentru a putea implementa radierea cuantică”, a mai spus Dr. Ma ”am menţinut corelarea cuantică dintre rută şi polarizarea celor doi fotoni şi am păstrat stabilitatea fazei şi a polarizării pe toată durata măsurătorilor.”

Schema experiment Viena

A) Schema experimentului Viena: În laboratorul 1, sursa  (S) emite perechi de fotoni de polarizare corelaţi cuantic, fiecare constând dintr-un foton de sistem şi un foton de mediu, prin intermediul parametrilor de tip II conversie joasă parametrică spontană. O bună întrepătrundere a stării spectrale şi spaţiale este obţinută prin utilizarea filtrelor de interferenţă de 1–nm. Starea de polarizare corelată cuantic este ulterior transformată într-o stare de corelaţie hibrid prin intermediul unui separator de fascicule de polarizare (PBS1) şi a două regulatoare de polarizare a fibrelor (FPC).  Măsurarea interferometrică a sistemului fotonic este efectuată cu un separator mono-mod de fascicule de fibre (BS), cu o lungime de rută de 2 m, faza relativă dintre ruta a si ruta b fiind ajustată prin mutarea poziţiei PBS1 cu ajutorul unui piezo-nano poziţioner.  Configurarea proiecţiei de polarizare a fotonului de mediu se face cu un modulator electro-optic (MOA) şi cu un alt PBS (PBS2). Ambii fotoni sunt detectaţi cu fotodiode cu avalanşă pe bază de siliciu (DET 1-4). Alegerea se face cu un generator de numere aleatorii cuantice QRNG (44).

(B) Diagrama Spaţiu-Timp. Evenimentele legate de alegerea ”Ce” şi polarizarea proiectării fotonului de mediu ”Pe” sunt separate de toate evenimentele măsurătorilor interferometrice ale fotonului de sistem ”Is”.  În plus, evenimentele “Ce” sunt separate de emisia perechii de fotoni corelaţi cuantic de la sursa Ese. Zonele umbrite reprezintă conurile de lumină trecute şi viitoare ale evenimentelor. Astfel se asigură că sunt întrunite condiţiile de localitate. BS - beam splitter (separator de fascicule); FPCs – regulatori de polarizare; PBS – separator de fascicule polarizate.

Credit imagine: PNAS, doi:10.1073/pnas.1213201110 (clic pe imaginea de mai sus pentru dimensiune maximă)


”Pentru a face faţă acestor dificultăţi a trebuit să avem o abordare total diferită faţă de toate experimentele de radiere cuantică de până acum şi în mod special a trebuit să stabilim exact condiţiile de localitate între evenimentele relevante. "Am realizat acest lucru implementând alegerile active independente care erau separate spaţial de interferenţe”, a explicat Dr. Ma, spunând că: ”Aceste alegeri au fost făcute de către un generator cuantic de numere aleatorii, iar apoi implementate de un modulator electro-optic." Când două evenimente sunt separate de un interval spaţial, nu trece îndeajuns de mult timp între producerea lor pentru a exista o relaţie de cauzalitate care să traverseze cu sau sub viteza luminii distanţa spaţială dintre cele două evenimente. Deşi se pot observa cele două evenimente ca având loc în acelaşi timp, nu există niciun sistem de referinţă potrivit căruia cele două evenimente pot avea loc în acelaşi amplasament spaţial sau care să indice dacă se pot întâmpla în viitorul sau trecutul fiecăruia dintre ele.

Pentru a menţine corelaţia cuantică dintre rută şi polarizarea perechilor de fotoni, Dr. Ma a explicat că cercetătorii au produs mai întâi perechi polarizate strălucitoare şi strâns întrepătrunse folosind procesul de  conversie joasă parametrică spontană. "Am convertit stările de polarizare ale fotonului de sistem în stările sale de parcurgere a căilor într-un interferometru, prin intermediul unui separator de fascicule polarizat şi al regulatoarelor de polarizare, timp în care am menţinut starea de polarizare a fotonului de mediu. Ajustând cu atenţie aceste componente am eliminat capacitatea de distingere a polarizării stării de parcurgere a fotonului de sistem şi am generat perechi hibride de fotoni corelaţi cuantic. Pentru a putea menţine această corelaţie hibridă, am acordat o atenţie specială evitării decoerenţei acestor fotoni.

 

Imagine satelit insulele Canare


Imagine mărită prin satelit a Insulelor Canare, Tenerife şi La Palma şi privire generală asupra bazei experimentale (Google Earth). Cele două laboratoare sunt separate în spaţiu de 144 de km distanţă. În La Palma, sursa (S) emite perechilor de fotoni corelaţi cuantic din punct de3 vedere al polarizării, care apoi sunt convertiţi într-o stare hibridă de corelaţie cuantică folosind un PBS (PBS1) şi un dispozitiv optic. Măsurătoarea interferometrică a fotonului de sistem se face cu un BS de spaţiu liber, unde faza relativă dintre ruta a şi ruta b este ajustată deplasând poziţia PBS1 cu un piezo-nano poziţioner. Lungimea totală a rutei acestui interferometru este de aproximativ 0.5 m. Configuraţia experimentală constă dintr-un dispozitiv optice de modificare a polarizării (QWP), o MOA şi un PBS2, care, împreună  proiectează fotonul de mediu fie în H/V, fie în +/− baza. Atât fotonul de sistem, cât şi fotonul de mediu sunt detectaţi prin intermediul fotodiodelor cu avalanşă pe bază de siliciu (DET 1-4).

Generatorul de numere aleatorii cuantice (QRNG) defineşte alegerea pentru configuraţia experimentală rapid şi aleatoriu. Un card de întârziere este folosit pentru a ajusta timpul relativ dintre evenimentul ales şi alte evenimente. Înregistrarea individuală a datelor este executată de către unităţi individuale de etichetare a timpului atât în ce priveşte fotonul de sistem, cât şi în capătul unde se află fotonul de mediu. Bazele de timp pe ambele părţi sunt stabilite folosind receptoare GPS.

Credit imagine: PNAS, doi:10.1073/pnas.1213201110 (clic pe imaginea de mai sus pentru dimensiune maximă)

În mod specific, pentru stările de polarizare, ei au trebuit să compenseze rotaţia polarizării şi a depolarizării cauzată de fibrele optice prin diferite tubulaturi, monitorizând frecvent fidelitatea transmisiei polarizării. "În ceea ce priveşte starea rutelor” Dr. Ma a explicat după cum urmează: ”a trebuit să izolăm fotonul de sistem de bruiajele de fază, care reduc vizibilitatea interferenţelor”. Pentru a realiza acest lucru, ei au folosit o izolaţie acustică concepţie proprie, pentru a proteja interferometrul.

Dr. Ma a declarat că în experimentele viitoare cercetătorii plănuiesc să dezvolte o sursă mai strălucitoare de pereche de fotoni, detectoare cu un singur foton şi cu bruiaj redus, modulatoare mai rapide cu cicluri de funcţionare mai mari şi cu o sincronizare mai precisă. În experimentul nostru, o altă provocare practică a fost şi raportul de transmisie limitat dintre semnal şi bruiaj”, a mai spus Dr. Ma. ”Aceasta s-a datorat faptului că cele mai multe fenomene cuantice sunt foarte vulnerabile la zgomot, putând fi foarte uşor bruiate în întregime." Pentru a depăşi această problemă şi a demonstra trăsăturile contraintuitive ale mecanicii cuantice, cercetătorii au trebuit să amplifice semnalul şi/sau să reducă bruiajul. "Pentru amplificarea semnalului, a trebuit să generăm mai mulţi fotoni. De aceea, o sursă formată dintr-o pereche de fotoni mai strălucitoare ne va fi cu siguranţă de mare folos. În plus, o sincronizare mai precisă va îmbunătăţi, de asemenea, rezultatele noastre: aceasta ne va permite să utilizăm o marjă de coincidenţă mult mai mică şi, prin urmare, să respingem coincidenţa falsă rezultată din bruiaj. Acest lucru este posibil deoarece corelaţia de tip timp-energie permite ca incertitudinea intrinsecă a timpului de generare a perechii de fotoni să fie mult mai mică decât instabilitatea temporală a tehnicilor actuale de sincronizare la distanţă – de exemplu, sistemul GPS folosit în experimentul lor.

În cele din urmă, Dr. Ma a explicat că bruiajul provine în cea mai mare parte de la numărul întunecat (rata medie a numărului de înregistrări fără incidente de lumină) al detectoarelor cu un singur foton. ”De aceea, este extrem de important să reducem aceste înregistrări folosind o serie de tehnici avansate de răcire. Toate aceste îmbunătăţiri se pot evalua folosind numărarea de fotoni şi măsurarea corelării cuantice.” Dr. Ma este de părere că viitoarele tehnologii şi sisteme de comunicaţii şi procesare a informaţiei bazate pe efecte cuantice vor avea de câştigat din rezultatele acestor cercetări.

"Experimentul nostru este important pentru bazele mecanicii cuantice precum şi pentru tehnologiile de procesare a informaţiilor cuantice, în special pentru cele din domeniul comunicaţiilor cuantice. Configuraţia propusă de noi poate fi aplicată la un sistem prototip de comunicaţie cuantică satelit-Pământ, oferind astfel punctul de plecare pentru o reţea de informaţii la nivel mondial, în care efectele mecanicii cuantice vor permite schimbul de mesaje cu o mai mare securitate precum şi o capacitate sporită de a efectua anumite calcule mai eficient decât este posibil cu tehnologiile convenţionale.


Traducere de Daniela Albu după einstein-entanglement-quantum-erasure-deconstructs, cu acordul Phys.org.