Kwantumcoherentie is een belangrijk ingrediënt van veel fundamentele tests en toepassingen in de kwantumtechnologie, inclusief kwantumcommunicatie, in beeld brengen, computergebruik, detectie en metrologie. Echter, de overdracht van kwantumcoherentie in de vrije ruimte is tot nu toe beperkt tot directe zichtlijnen, aangezien atmosferische turbulentie en verstrooiing de kwaliteit van de coherentie ernstig aantasten.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen , onderzoekers van de Universiteit van Waterloo hebben met succes de overdracht en het herstel van kwantumcoherentie aangetoond met behulp van fotonen die voor het eerst in de vrije ruimte zijn verspreid. Dit maakt nieuwe onderzoeksmogelijkheden en toepassingen mogelijk op gebieden variërend van kwantumcommunicatie tot beeldvorming en meer.

"Het vermogen om kwantumcoherentie over te dragen via verstrooide fotonen betekent dat je nu veel dingen kunt doen waarvoor voorheen directe zichtlijnen in de vrije ruimte nodig waren, " zei Shihan Sajeed, hoofdauteur van de paper en een postdoctoraal fellow bij het Institute for Quantum Computing (IQC) en bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde aan de Universiteit van Waterloo in Ontario, Canada.

Normaal gesproken, als je fotonen door de lucht (vrije ruimte) probeert te sturen en te ontvangen voor kwantumcommunicatie, of enig ander kwantumgecodeerd protocol, u hebt een directe zichtlijn nodig tussen zender en ontvanger. Alle objecten in het optische pad - zo groot als een muur of zo klein als een molecuul - zullen sommige fotonen reflecteren en andere verstrooien, afhankelijk van de reflectiviteit van het oppervlak. Alle kwantuminformatie die in de fotonen is gecodeerd, gaat meestal verloren in de verstrooide fotonen, het kwantumkanaal onderbreken.

Samen met Thomas Jennewein, hoofdonderzoeker van het Quantum Photonics-lab bij IQC, Sajeed heeft een manier gevonden om kwantumcoherentie te coderen in paren fotonpulsen die na elkaar worden verzonden, zodat ze hun samenhang behouden, zelfs na verstrooiing vanaf een diffuus oppervlak.

De onderzoekers zenden een reeks pulsparen uit met een specifieke fasecoherentie die met behulp van kwantuminterferentie aan de verstrooide fotonen kon worden gemeten. Ze gebruikten ook een single-photon-detector-array sensor die, naast het oplossen van golffrontvervormingen veroorzaakt door atmosferische turbulentie, fungeerde als beeldmaker, waardoor ze gelijktijdig enkelvoudige fotoninterferentie en beeldvorming kunnen waarnemen. Ze plaatsten de detector waar hij alleen verstrooide fotonen van de laserpulsen zou absorberen, en zag een zichtbaarheid van meer dan 90%, wat betekent dat de verstrooide fotonen hun kwantumcoherentie behielden, zelfs nadat ze tegen een object waren geslagen.

Hun nieuwe techniek vereiste aangepaste hardware om gebruik te maken van het coherente licht dat ze voortbrachten. De enkele fotondetectorarray zou elke seconde een miljard fotonen kunnen detecteren, met een precisie van 100 picoseconden. Alleen geavanceerde, tijdgebonden elektronica kan de eisen van deze lichtstroom aan. en het team moest hun eigen elektronische adapterkaart ontwerpen om te communiceren tussen de detectoren en de computer die de gegevens zou verwerken.

"Onze techniek kan helpen een object af te beelden met kwantumsignalen of een kwantumbericht te verzenden in een lawaaierige omgeving, " zegt Sajeed. "Verstrooide fotonen die terugkeren naar onze sensor zullen een zekere coherentie hebben, overwegende dat lawaai in de omgeving dat niet zal doen, en dus kunnen we alles afwijzen, behalve de fotonen die we oorspronkelijk hebben gestuurd."

Sajeed verwacht dat hun bevindingen nieuw onderzoek en nieuwe toepassingen in kwantumdetectie zullen stimuleren, communicatie, en beeldvorming in omgevingen in de vrije ruimte. Het duo demonstreerde kwantumcommunicatie en beeldvorming in hun paper, maar Sajeed zei dat verder onderzoek nodig is om erachter te komen hoe hun technieken in verschillende praktische toepassingen kunnen worden gebruikt.

"We geloven dat dit kan worden gebruikt in kwantumversterkte LIDAR (Light Detection and Ranging), kwantumdetectie, niet-line-of-sight beeldvorming, en vele andere gebieden - de mogelijkheden zijn eindeloos, ' zei Sajeed.