Berner onderzoekers hebben een belangrijke stap gezet in de richting van nieuwe meetmethoden zoals kwantumspectroscopie. In een experiment, ze slaagden erin een deel van het mysterie rond de zogenaamde "verstrengelde fotonen" te ontrafelen en de gemeten correlaties nauwkeurig te controleren.

Quantumtechnologieën houden de belofte in om verder te gaan dan de mogelijkheden van de klassieke huidige technologieën door gebruik te maken van puur kwantumfenomeen, zoals 'verstrengelde deeltjes'. Quantumtechnologieën worden gebruikt in verschillende toepassingen, bijvoorbeeld in kwantumcomputers of in kwantumdetectie en metrologie, waardoor beeldvorming met een hogere resolutie mogelijk is of de eigenschappen van atomen en moleculen nauwkeuriger kunnen worden bepaald.

Verstrengelde deeltjes

Verstrengeling is een van de meest indrukwekkende kwantumfysische verschijnselen. Het beschrijft de eigenschap van twee deeltjes die zich niet gedragen als twee onafhankelijke objecten, maar als een enkel fysiek object. De verstrengeling is niet ruimtelijk te begrijpen:verstrengelde deeltjes correleren met elkaar in termen van hun eigenschappen. Dit betekent dat als je de eigenschappen van één deeltje verandert, het andere deeltje verandert tegelijkertijd, waar het ook is. Lichtdeeltjes (fotonen) kunnen worden verstrengeld door een enkel deeltje in twee fotonen te splitsen in een laseropstelling met een speciaal kristal. op het gebied van optica, verstrengelde fotonen zijn een belangrijk onderdeel in de ontwikkeling van nieuwe kwantummeetmethoden. Ze kunnen worden gebruikt omdat de meetcapaciteit van een verstrengeld fotonenpaar groter is dan die van twee individuele fotonen. Echter, kwantumverstrengeling leidt tot de waarneming van relaties tussen metingen aan de fotonparen, die alleen kwantummechanisch kan worden verklaard en niet met concepten uit de klassieke fysica.

Tot nu toe was er geen methode om fotonparen te produceren die geen kwantummechanische, maar alleen klassieke energiecorrelaties. In een experiment, een onderzoeksteam van het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde van de Universiteit van Bern is er nu in geslaagd om de waargenomen correlaties van fotonparen te transformeren van puur kwantummechanisch naar volledig klassiek. Deze overgang is een noviteit, omdat kwantumcorrelaties en klassieke correlaties moeilijk met elkaar te verzoenen zijn. De onderzoekers konden de overgang aantonen in een experiment met een nieuwe methode waarmee ze de correlatie van de energieën van twee fotonen konden controleren. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Communicatie Natuurkunde .

De fotonen schudden

De verstrengeling van de fotonen is een zogenaamde "energie-tijd-verstrengeling, " aangezien de fotonen correleren met betrekking tot zowel de emissietijd als de energie. Beide correlaties kunnen experimenteel worden waargenomen en laten conclusies over elkaar toe. Maar aangezien de onderzoekers alleen de correlaties in de tijd van de fotonparen wilden detecteren, ze moesten in hun trukendoos grijpen:"Om zulke paren te vormen, we schudden willekeurig de fotonen, bij wijze van spreken, " legt Dr. Stefan Lerch uit, hoofdauteur van de studie. Door dat te doen, de onderzoekers veroorzaakten een verstoring. "Hoe meer verstoring werd toegevoegd, hoe minder de fotonen zich op een kwantummanier gedroegen."

Om de kwantumtoestand van de fotonen te veranderen, de onderzoekers maakten gebruik van technieken die veelal worden toegepast voor het vormen van ultrakorte laserpulsen. "De knowhow, die werd ontwikkeld aan de Universiteit van Bern in het kader van de NCCR MUST was essentieel om de vereiste nauwkeurige controle te bereiken, " merkt studie co-auteur Prof. Dr. André Stefanov op.

De meest veelbelovende potentiële toepassing van energie-tijd verstrengelde fotonen is spectroscopie, een fysische methode om eigenschappen van moleculen met licht te onderzoeken. "Ik verwacht dat verstrengelde fotonspectroscopie een baanbrekende nieuwe manier is om optische spectroscopie uit te voeren, ", zegt André Stefanov. Het moet echter nog experimenteel worden aangetoond. De bevindingen van de Berner onderzoekers zijn een belangrijke stap op dit pad. "Ik ben ervan overtuigd dat een dergelijke opstelling een essentieel onderdeel zal zijn van toekomstige kwantumspectroscopie-experimenten, ", voegt André Stefanov eraan toe.