Goede buren delen vaak middelen:een kopje suiker, extra tuinstoelen, een set startkabels. Onderzoekers op de campus van de Universiteit van Arizona zullen binnenkort een minder gebruikelijke - en veel waardevollere - bron kunnen delen om hen te helpen hun onderzoek voort te zetten:verstrengelde fotonen, of onderling verbonden paren van lichte deeltjes.

Met ongeveer $ 1,4 miljoen aan financiering - $ 999, 999 van de National Science Foundation en ongeveer $ 400, 000 van de UA - professor Zheshen Zhang leidt de constructie van het interdisciplinaire Quantum Information Research and Engineering-instrument, bekend als Informeer, bij de UA. Inquire is 's werelds eerste gedeelde onderzoeks- en trainingsinstrument om onderzoekers op verschillende gebieden, waaronder die zonder expertise in kwantuminformatiewetenschap, te helpen profiteren van kwantumbronnen.

Zhang is een assistent-professor materiaalkunde en techniek en optische wetenschappen, en de leider van de Quantum Information and Materials Group aan de UA. De mede-onderzoekers van het Inquire-project zijn onder meer Ivan Djordjevic, hoogleraar elektrische en computertechniek en optische wetenschappen; Jennifer Barton, directeur van het BIO5 Instituut en hoogleraar biomedische technologie, biosysteemtechniek, elektrotechniek en computertechniek, en optische wetenschappen; Nasser Peygambarian, hoogleraar optische wetenschappen; en Marek Romanowski, universitair hoofddocent biomedische technologie, en materiaalkunde en techniek.

Een netwerk van glasvezelkabels zal een geautomatiseerde kwantuminformatiehub in de kelder van het Electrical and Computer Engineering-gebouw verbinden met vier andere gebouwen op de campus:Biosciences Research Labs, Mijnen en metallurgie, Natuurkunde en Atmosferische Wetenschappen, en Meinel Optische Wetenschappen.

"Een van de geneugten van de UA is de samenwerking met topwetenschappers die werken in geavanceerde vakgebieden, ' zei Barton. 'Het lijkt wel sciencefiction, maar Zheshen bouwt een faciliteit die kwantumverstrengelde fotonen zal creëren, bezorg ze dan via glasvezel halverwege de campus, rechtstreeks naar de Translational Bioimaging Resource in het Biosciences Research Labs-gebouw."

"Dit is een opwindend project dat perfect enkele van de belangrijkste thema's vertegenwoordigt die ten grondslag liggen aan ons strategisch plan, " zei UA President Robert C. Robbins. "Om een ​​leider te zijn in de Vierde Industriële Revolutie, we moeten samenwerken, blijf de technologische curve voor en zorg voor een krachtige omgeving waar onderzoekers de tools hebben die ze nodig hebben om de grote uitdagingen van de wereld op te lossen. Ik kijk ernaar uit om de nieuwe kansen te zien die deze faciliteit biedt zodra deze is voltooid."

De bouw van het project is al begonnen. De verwachte opleverdatum is september 2021.

Individuele fotonen zien

Net zoals een atoom de kleinste eenheid van materie is, een foton is de kleinste eenheid van licht. Dus, terwijl we het licht van tientallen miljarden fotonen kunnen zien in een kamer verlicht door een lamp of een binnenplaats verlicht door de zon, het menselijk oog - en de meeste microscopen - kunnen geen individuele fotonen zien. Maar soms kan deze informatie die te klein is om te zien, belangrijk zijn. Bijvoorbeeld, een laboratorium voor biomedische technologie doet misschien een beeldvormend onderzoek naar een eiwit of een organisch molecuul dat een signaal uitzendt dat te zwak is voor traditionele camera's om te zien.

"Je kunt je fotonen naar de kernfaciliteit sturen, die is uitgerust met een reeks ultragevoelige camera's die dingen kunnen zien op het niveau van een enkel foton, ' zei Zhang.

traditioneel, onderzoekers gebruikten krachtige lasers om deze biologische monsters te verlichten, die daarbij soms beschadigd raakten. Het gebruik van verstrengelde fotonen als verlichtingsbron zorgt voor een hogere gevoeligheid, minder verhelderend vermogen, en dezelfde of zelfs hogere resolutie.

"Twee verstrengelde fotonen kunnen een miljoen waard zijn van hun klassieke broeders, waardoor we ons mogelijk dieper kunnen inbeelden zonder weefsel te beschadigen, ' zei Barton.

Uiterst nauwkeurig sonderen

Deze glasvezelkabels zijn tweerichtingsverkeer. Onderzoekers kunnen hun fotonen naar de centrale hub sturen om te worden afgebeeld door de hightech microscopen, maar het centrum kan ook verstrengelde fotonen delen met laboratoria op de hele campus.

Verstrengelde fotonen zijn onderling verbonden paren. Zelfs als ze over grote afstanden van elkaar verwijderd zijn, alles wat er met het ene foton in een verstrengeld paar gebeurt, wordt ook naar het andere overgebracht.

Deze relatie heeft verschillende toepassingen. Bijvoorbeeld, onderzoekers kunnen fotonen gebruiken als sondes om de aard van niet-geïdentificeerde materialen te helpen bepalen. De veranderingen die een materiaal aanbrengt in een foton, zoals een verandering van kleur, aanwijzingen geven over de identiteit van het materiaal. Wanneer één verstrengeld foton in een paar als sonde wordt gebruikt, het materiaal introduceert veranderingen in beide fotonen in het verstrengelde paar.

"Nu kun je een meting uitvoeren op beide fotonen om meer te weten te komen over het monster dat wordt onderzocht, "Zei Zhang. "Je kunt twee keer zoveel informatie hebben over de manier waarop het materiaal het foton beïnvloedt."

Beveiligde communicatie

Verstrengelde fotonen kunnen ook worden gebruikt in kwantumcommunicatie, een veilige methode voor het verzenden en ontvangen van gegevens die is ontworpen om afluisteren uit te sluiten. Het werkt als volgt:voordat partij A gevoelige informatie deelt met partij B, Partij A stuurt een "kwantumsleutel, " een reeks verstrengelde fotonen die dienen als de code voor het decoderen van toekomstige transmissies. Quantumsleutels zijn zo ontworpen dat alleen al het decoderen of lezen van hun inhoud hun inhoud verandert.

Als de kwantumsleutel arriveert met gedecodeerde delen, de communicerende partijen weten dat deel van de sleutel niet te gebruiken om toekomstige transmissies te versleutelen, omdat het is "gelezen" door hackers. De communicerende partijen kunnen eenvoudig dat deel van de sleutel wegknippen en een nieuwe, kortere kwantumsleutel waarvan ze weten dat deze veilig is.

Partij A en Partij B in het bovenstaande voorbeeld hoeven geen kwantuminformatiewetenschappers te zijn. Onderzoekers in allerlei disciplines kunnen profiteren van de unieke eigenschappen van verstrengelde fotonen, en het doel van Inquire is om dat mogelijk te maken.

"Dit is een belangrijk gebied dat de National Science Foundation identificeert als een van zijn 10 grote ideeën en dat het echt wil bevorderen omdat het zo interdisciplinair is, "Zei Zhang. "Het gaat om onderzoekers over de grenzen van de wetenschap heen, Engineering, computertechnologie, natuurkunde, scheikunde, wiskunde, optica - overal. De centrale vraag is 'Hoe kan iedereen dezelfde taal spreken, en hoe kunnen zij profiteren van de vooruitgang die op andere gebieden is geboekt?'"