Deeltjes kunnen zich soms gedragen als golven, en fotonen (lichtdeeltjes) zijn geen uitzondering. Net zoals golven een interferentiepatroon creëren, als rimpelingen in een vijver, net als fotonen. Natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en hun collega's hebben een belangrijke nieuwe prestatie geleverd:het creëren van een bizarre "kwantum" interferentie tussen twee fotonen van duidelijk verschillende kleuren, afkomstig uit verschillende gebouwen op de campus van de Universiteit van Maryland.

Het experiment is een belangrijke stap voor toekomstige kwantumcommunicatie en kwantumcomputing, die mogelijk dingen kunnen doen die klassieke computers niet kunnen, zoals krachtige encryptiecodes breken en het gedrag van complexe nieuwe medicijnen in het lichaam simuleren. De interferentie tussen twee fotonen zou verre kwantumprocessors kunnen verbinden, het mogelijk maken van een internetachtig kwantumcomputernetwerk.

Het gebruik van fotonen die oorspronkelijk verschillende kleuren (golflengten) hadden, is belangrijk omdat het de werking van een kwantumcomputer nabootst. Bijvoorbeeld, zichtbaar licht fotonen kunnen interageren met ingesloten atomen, ionen of andere systemen die dienen als kwantumversies van computergeheugen, terwijl fotonen met een langere golflengte (nabij-infrarood) zich over lange afstanden kunnen voortplanten via optische vezels.

Net zoals klassieke computers betrouwbare manieren nodig hadden om te verzenden, elektronen opslaan en verwerken voordat complexe, netwerkcomputing mogelijk was, het NIST-resultaat brengt de uitwisseling van quantum computing-informatie een belangrijke stap dichter bij de realiteit.

In hun studie hebben een samenwerking tussen NIST en het Army Research Laboratory, natuurkundigen en ingenieurs in aangrenzende gebouwen aan de Universiteit van Maryland creëerden twee verschillende en afzonderlijke bronnen van individuele fotonen. In een gebouw, een groep rubidium-atomen werd ertoe aangezet enkele fotonen uit te zenden met een golflengte van 780 nanometer, aan het rode uiteinde van het spectrum van zichtbaar licht. In het andere gebouw, 150 meter afstand, een gevangen ion van barium werd geïnduceerd om fotonen uit te zenden met een golflengte van 493 nanometer - bijna 40 procent korter - naar het blauwe uiteinde van het spectrum.

Vervolgens moesten de onderzoekers de blauwe fotonen dode ringen maken voor de rode. Om dit te doen, Alexander Craddock, Trey Porto en Steven Rolston van het Joint Quantum Institute, een samenwerking tussen NIST en de Universiteit van Maryland, en hun collega's mengden de blauwe fotonen met infrarood licht in een speciaal kristal. Het kristal gebruikte het infraroodlicht om de blauwe fotonen om te vormen tot een golflengte die overeenkomt met de rode in het andere gebouw, terwijl ze verder hun oorspronkelijke eigenschappen behouden. Pas toen stuurde het team de fotonen door een 150 meter lange optische vezel om de bijna identieke rode fotonen in het andere gebouw te ontmoeten.

De fotonen leken zo op elkaar dat ze in de experimentele opstelling niet van elkaar konden worden onderscheiden. Individuele fotonen werken normaal gesproken onafhankelijk van elkaar. Maar vanwege de eigenaardige kwantumaard van licht, wanneer twee niet van elkaar te onderscheiden fotonen met elkaar interfereren, hun paden kunnen gecorreleerd raken, of afhankelijk van elkaar. Een dergelijke kwantumcorrelatie kan worden gebruikt als een krachtig computerhulpmiddel.

Zowaar, de onderzoekers zagen deze correlatie toen paren van de afzonderlijk geproduceerde fotonen elkaar kruisten. De paren fotonen gingen door een optische component die bekend staat als een bundelsplitser, die hen in een van de twee paden zou kunnen sturen. alleen handelen, elk foton zou zijn eigen ding doen en zou een kans van 50-50 hebben om door beide paden te gaan. Maar de twee niet van elkaar te onderscheiden fotonen overlappen elkaar als golven. Vanwege hun bizarre kwantuminterferentie, ze bleven bij elkaar en gingen altijd op dezelfde weg. Door deze eens onafhankelijke fotonen in de heup te verbinden, dit interferentie-effect kan mogelijk veel nuttige taken uitvoeren bij de verwerking van kwantuminformatie.

De onderzoekers rapporteerden hun bevindingen online in een recent nummer van Fysieke beoordelingsbrieven .

Een directe verbinding met kwantumcomputing zou komen als het interferentiepatroon wordt gekoppeld aan een andere bizarre eigenschap van de kwantummechanica die bekend staat als verstrengeling. Dit fenomeen doet zich voor wanneer twee of meer fotonen of andere deeltjes zodanig worden bereid dat een meting van een bepaalde eigenschap, bijvoorbeeld momentum - van de ene bepaalt automatisch dezelfde eigenschap van de andere, zelfs als de deeltjes ver uit elkaar liggen. Verstrengeling vormt de kern van veel kwantuminformatieschema's, inclusief quantum computing en encryptie.

In het experiment van het team, de twee fotonen waren niet verstrengeld met de systemen die ze hebben gegenereerd. Maar in toekomstige studies, zei Porto, het zou relatief eenvoudig moeten zijn om de rode fotonen te verstrengelen met de groep rubidium-atomen die ze hebben geproduceerd. evenzo, de blauwe fotonen zouden verstrikt kunnen raken in het ingesloten ion dat ze heeft voortgebracht. Wanneer de twee fotonen interfereren, die verbinding zou de verstrengeling tussen rode foton-rubidium-atomen en blauwe foton-ionen overdragen om een ​​verstrengeling te worden tussen de rubidium-atomen en het opgesloten ion.

Het is deze overdracht van verstrengeling - deze overdracht van informatie - die ten grondslag ligt aan de potentieel enorme kracht van kwantumcomputers, merkte Porto op.