De kleinste stukjes natuur - individuele deeltjes zoals elektronen, bijvoorbeeld - zijn vrijwel uitwisselbaar. Een elektron is een elektron is een elektron, ongeacht of het vastzit in een lab op aarde, gebonden aan een atoom in een of ander kalkachtig maanstof of geschoten uit een extragalactisch zwart gat in een oververhitte straal. In praktijk, Hoewel, verschillen in energie, beweging of locatie kan het gemakkelijk maken om twee elektronen van elkaar te onderscheiden.

Een manier om de gelijkenis van deeltjes zoals elektronen te testen, is door ze op hetzelfde moment en op dezelfde plaats samen te brengen en te zoeken naar interferentie - een kwantumeffect dat ontstaat wanneer deeltjes (die zich ook als golven kunnen gedragen) elkaar ontmoeten. Deze interferentie is belangrijk voor alles, van fundamentele tests van de kwantumfysica tot de snelle berekeningen van kwantumcomputers, maar het creëren ervan vereist uitstekende controle over deeltjes die niet van elkaar te onderscheiden zijn.

Met het oog op het versoepelen van deze eisen, onderzoekers van het Joint Quantum Institute (JQI) en het Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS) hebben meerdere fotonen uitgerekt - de kwantumdeeltjes van licht - en drie verschillende pulsen omgezet in overlappende kwantumgolven. Het werk, die onlangs in het tijdschrift werd gepubliceerd Fysieke beoordelingsbrieven , herstelt de interferentie tussen fotonen en kan uiteindelijk een demonstratie van een bepaald soort kwantumsuprematie mogelijk maken - een duidelijk snelheidsvoordeel voor computers die werken volgens de regels van de kwantumfysica.

"Hoewel fotonen niet rechtstreeks met elkaar in wisselwerking staan, wanneer ze elkaar ontmoeten, kunnen ze een puur kwantumkenmerk vertonen dat afwezig is in de klassieke, niet-kwantumgolven, " zegt JQI-collega Mohammad Hafezi, een co-auteur van het artikel en een universitair hoofddocent natuurkunde en elektrische en computertechniek aan de Universiteit van Maryland.

Tegenwoordig, het testen van de gelijkenis van fotonen is routine. Het houdt in dat je ze samenbrengt in een apparaat dat een bundelsplitser wordt genoemd en het licht meet dat aan de andere kant naar buiten komt.

Wanneer een enkel foton een gebalanceerde bundelsplitser raakt, er is 50 procent kans dat het er dwars doorheen gaat en 50 procent kans dat het onder een hoek weerkaatst. Door detectoren in deze twee mogelijke paden te plaatsen, wetenschappers kunnen meten in welke richting individuele fotonen terechtkomen.

Als twee identieke fotonen elkaar ontmoeten bij de bundelsplitser, met de een naar het oosten en de ander naar het noorden, het is verleidelijk om op elk deeltje afzonderlijk dezelfde behandeling toe te passen. Het is waar dat beide fotonen een gelijke kans hebben om er doorheen te reizen of te reflecteren, maar omdat de fotonen niet van elkaar te onderscheiden zijn, het is onmogelijk om te zeggen welke waar gaat.

Het resultaat van deze identiteitsverwarring is dat twee van de mogelijke combinaties - die waarbij beide fotonen dwars door de bundelsplitser gaan en beide fotonen reflecteren - elkaar opheffen, een duidelijk kwantumresultaat achterlatend:de fotonen werken samen en reizen als een paar, eindigen altijd bij een van de twee detectoren samen.

Nu hebben Hafezi en zijn collega's van UMD en de Universiteit van Portsmouth een soortgelijk interferentie-effect waargenomen met te onderscheiden fotonen - lichtpulsen van slechts twee picoseconden lang (een picoseconde is een biljoenste van een seconde) die gescheiden zijn door tientallen picoseconden. De essentiële truc was het vinden van een manier om de pulsen minder herkenbaar te maken, zodat ze konden interfereren.

"We gebruikten een enkel optisch element dat in feite een vezel is, " zegt Sunil Mittal, een postdoctoraal onderzoeker bij JQI en een co-auteur van het nieuwe artikel. "Het emuleert het equivalent van ongeveer 150 kilometer vezel, die de fotonen uitrekt. Het werkt een beetje als een omgekeerde lens, waardoor verschillende frequenties in de pulsen zich verspreiden en onscherp worden."

Door elk foton met een factor 1000 te verlengen, de onderzoekers konden de tijdsvertraging tussen pulsen effectief wissen en grote overlappingen creëren. Die overlap maakte het waarschijnlijker dat fotonen tegelijkertijd bij de detectoren zouden aankomen en met elkaar zouden interfereren.

Eerdere experimenten (waaronder door JQI en QuICS Fellow Christopher Monroe en medewerkers) hebben met succes onderscheidbare fotonen verstoord, maar die resultaten vereisten meerdere kanalen voor het invallende licht - één voor elk foton. Het nieuwe werk gebruikt slechts één kanaal dat licht draagt ​​op standaard telecomfrequenties, waarvan de auteurs zeggen dat hun systeem gemakkelijk kan worden geschaald om veel meer fotonen op te nemen.

Met meer fotonen kunnen onderzoekers bosonbemonstering bestuderen, een rekenprobleem waarvan men denkt dat het te moeilijk is voor gewone computers (vergelijkbaar met het probleem dat Google zou hebben opgelost). In zijn standaardvorm, boson-bemonstering betreft fotonen - die lid zijn van een familie van deeltjes die bosonen worden genoemd - die hun weg banen door een groot netwerk van bundelsplitsers. De fotonen komen het netwerk binnen via verschillende kanalen en gaan naar detectoren, met één detector per kanaal.

Het boson-sampling "probleem" komt neer op het doen van een gecompliceerde muntopgooi, aangezien elk experiment monsters neemt van de onderliggende kans dat (zeg) drie fotonen het netwerk binnenkomen op poort 1, 2 en 5 komen uit op uitgangen 2, 3 en 7. De interferentie binnen het netwerk is complex en onmogelijk te volgen met een gewone computer - zelfs niet voor een bescheiden aantal fotonen - en het wordt moeilijker naarmate je meer fotonen toevoegt. Maar met echte fotonen in een echt netwerk, het probleem zou zichzelf oplossen.

"De connectie van dit experiment met boson-bemonstering is een goed voorbeeld van hoe de groeiende synergie tussen de kwantumfysica van veel lichamen en de computationele complexiteitstheorie kan leiden tot grote vooruitgang op beide gebieden, " zegt JQI en QuICS Fellow Alexey Gorshkov, een adjunct universitair hoofddocent natuurkunde aan de UMD en een andere co-auteur van het artikel.

Maar tot nu toe, boson-bemonsteringsexperimenten hebben geleden onder het probleem van schaalbaarheid:het probleem voor meer fotonen oplossen betekende het toevoegen van meer kanalen, wat betekende dat we meer ruimte moesten innemen en de aankomst van nog meer fotonen moesten timen om hun interferentie te verzekeren. Mittal zegt dat hun techniek beide problemen mogelijk oplost.

"In ons systeem de ingangen hoeven niet in verschillende vezels te zijn, Mittal zegt. "Alle fotonen kunnen in een enkele vezel reizen en de tijdsverschillen kunnen worden gewist met dezelfde methode die we al hebben aangetoond." Een ander kant-en-klaar apparaat zou het netwerk van bundelsplitsers kunnen nabootsen, met als bijkomend voordeel een gemakkelijke herconfiguratie mogelijk te maken, zegt Mittal. "We doen nu geen bosonbemonstering, maar het zou relatief gemakkelijk zijn om in die richting te gaan."