Bij het onderzoeken van de subtiele effecten van de kwantummechanica, alle parameters in het systeem en de metingen moeten nauwkeurig worden afgesteld om het gewenste resultaat te kunnen zien. Dus wat gebeurt er als je alles afstemt op het detecteren van wat je het minst verwacht? Onderzoekers van MIT en Purdue University in de VS hebben precies deze benadering gevolgd en ontdekten dat ze kwantumsignalen met een factor 30 konden versterken, terwijl ze de relatieve fase van een foton voorwaardelijk veranderden van π/80 in π/2. De resultaten kunnen de ontbrekende schakel bieden die een aantal kwantumnetwerktechnologieën dichter bij praktisch gebruik brengt.

Quantumtechnologieprotocollen zijn over het algemeen gericht op het maximaliseren van de interactiesterkten, maar het voorbereiden van deze verstrengelde systemen kan erg moeilijk zijn. "Wij stelden de vraag kunnen we zwakke interacties op de een of andere manier omzetten in zeer sterke interacties?" legt Vladan Vuletic uit, Wolf hoogleraar natuurkunde aan het MIT. "Jij kan, en de prijs is ze komen niet vaak voor."

De effecten die Vuletic en collega's waarnemen, hangen af ​​van de factoren die bijdragen aan de 'verwachtingswaarden' van kwantumexperimenten. Verwachte waarden beschrijven de gemiddelde uitkomst van een kwantumscenario en zijn gelijk aan het product van elke mogelijke waarde en de waarschijnlijkheid ervan. Vuletic en zijn medewerkers richtten hun studies op scenario's waarin het gemiddelde wordt gedomineerd door zeldzame gebeurtenissen, zoals een loterij waarbij iedereen gemiddeld een klein bedrag wint, hoewel in feite, slechts een paar mensen winnen enorme bedragen. In de kwantummechanica, licht neemt soms ook het minder bewandelde pad, en zoals de onderzoekers laten zien, dit kan echt het verschil maken.

De onderzoekers hadden gekeken naar de interacties tussen fotonen - een signaalfoton en een hulpfoton - die verschillende paden volgden door een ensemble van koude atomen in een holte. Elk foton kan interageren met de atomen, en die interactie draagt ​​de handtekening van hoe het andere foton interactie heeft gehad, waardoor een indirecte interactie tussen de twee fotonen ontstaat. Interacties laten verklikkers achter in het foton, zoals een faseverschuiving, die terwijl nul bij resonantie positief of negatief wordt, weg van resonantie, afhankelijk van aan welke kant van de resonantie van het systeem de parameters zijn afgestemd.

Mahdi Hosseini van de Purdue University legt uit dat ze een gemiddelde faseverschuiving opmerkten terwijl ze de interactie bestudeerden. "Ik herinner me dat Vladan toen op een avond wat rekenwerk deed, en stuurde het naar ons, en we keken ernaar, en aanvankelijk, Ik dacht dat dat niet kan, ", zegt Hosseini. De berekening suggereerde verrassende resultaten voor een regime waar er een grote kans was op een aanvullende fotonmeting die gepaard gaat met een lage faseverschuiving in de signaalbundel (zoals het geval zou kunnen zijn in de buurt van resonantie). In de zeldzame gevallen dat dit is niet de gemeten meting voor het hulpfoton, de faseverschuiving voor de signaalbundel moet groot zijn zodat het product met de lage waarschijnlijkheid toch aan de verwachtingswaarde voldoet.

Wat is meer, door dit fenomeen, de parameters die zijn geselecteerd om het hulpfoton te meten, kunnen een grote invloed hebben op de uitkomst van de faseverschuiving voor het signaalfoton, ondanks zwakke interacties tussen de twee, iets wat de onderzoekers omschrijven als 'aangekondigde fotoncontrole'. Met zorgvuldige manipulatie van de systeemparameters om het regime van de experimenten aan te passen, de onderzoekers konden de effecten observeren die de theorie had voorspeld.

"We waren meer opgewonden dan verrast, " zegt Hosseini. "Naïef, als je kijkt naar het gemiddelde, je verwacht geen faseverschuiving bij resonantie, niet eens een kleine faseverschuiving; je verwacht er geen te zien. Maar het blijkt dat door het meetproces te veranderen, je kunt dit veranderen in zeer interactieve toestanden, en dat was verrassend."

De onderzoekers wijzen erop dat protocollen die ook signalen versterken in andere systemen zijn aangetoond door middel van "ruisloze versterking" en "zwakke metingen". Deze protocollen bieden verbeteringen met factoren tussen twee en vijf, met een zeer kleine kans. "Als de getrouwheid maal de kans veel minder dan 50% is, het is niet echt nuttig om te voelen, bijvoorbeeld, " legt Hosseini uit. In tegenstelling, Hosseini, Vuletic en hun medewerkers waren in staat om faseverschuivingen tot π/2 aan te tonen, waarbij de gemiddelde faseverschuiving π/80 is en een versterking van het fotongetal met een factor van ongeveer 30. Hoewel deze gebeurtenissen zeldzaam blijven, de kans is meer kansrijk voor praktische toepassingen.

"Voordat, mensen hadden deze geruisloze versterking en elke faseverschuiving als volledig ongelijksoortige velden beschouwd, " voegt Vuletic toe. "We hebben aangetoond dat het hetzelfde is, en je kunt een kleine verandering van parameters hebben om van faseverschuivingen naar versterking te gaan."

Er zijn veel opkomende kwantumnetwerktechnologieën die voor een struikelblok staan ​​bij afwezigheid van een praktische technologie om signalen te versterken, zoals kwantumcommunicatie over lange afstand, of bij het aansluiten van meerdere kwantumcomputers, elk met een beheersbaar aantal qubits om de verwerkingscapaciteit te vergroten. "Verliezen en decoherentie zijn altijd een probleem, ', zegt Vuletic.

Terwijl Vuletic nu werkt aan "superatomen" die de fotonkoppeling kunnen vergroten, Hosseini's werk is het aansnijden van de rommeligere wereld van vaste stof om de verschijnselen in kristallen te repliceren met zeldzame aardionen. Deze systemen zijn niet zo schoon omdat het niet mogelijk is om zo'n nauwkeurige kennis van de omgeving rond de ionen te hebben als voor totaal homogene ensembles van atomen. Echter, als het principe in deze systemen kan worden aangetoond, het kan een meer praktische basis bieden voor toepassingen en zelfs het multiplexen van de effecten om de kansen voor elk scenario toe te voegen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk