Kwantumobjecten, zoals elektronen en fotonen, gedragen zich anders dan andere objecten op manieren die kwantumtechnologie mogelijk maken. Daarin ligt de sleutel tot het ontsluiten van het mysterie van kwantumverstrengeling, waarin meerdere fotonen bestaan ​​in meerdere modi of frequenties.

Bij het nastreven van fotonische kwantumtechnologieën hebben eerdere studies het nut van Fock-toestanden aangetoond. Dit zijn multiphoton-, multimode-toestanden die mogelijk worden gemaakt door op een slimme manier een aantal inputs van één foton te combineren met behulp van zogenaamde lineaire optica. Sommige essentiële en waardevolle kwantumtoestanden vereisen echter meer dan deze foton-voor-foton-benadering.

Nu heeft een team van onderzoekers van de Universiteit van Kyoto en de Universiteit van Hiroshima theoretisch en experimenteel de unieke voordelen bevestigd van niet-Fock-toestanden – of iNFS – complexe kwantumtoestanden die meer dan één enkele fotonenbron en lineaire optische elementen vereisen. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances .

"We hebben met succes het bestaan ​​van iNFS bevestigd met behulp van een optisch kwantumcircuit met meerdere fotonen", zegt corresponderende auteur Shigeki Takeuchi van de Graduate School of Engineering.

"Onze studie zal leiden tot doorbraken in toepassingen zoals optische kwantumcomputers en optische kwantumsensoren", voegt co-auteur Geobae Park toe.

Het foton is een veelbelovende drager omdat het over lange afstanden kan worden overgedragen terwijl de kwantumtoestand bij constante kamertemperatuur behouden blijft. Het benutten van veel fotonen in meerdere modi zou optische kwantumcryptografie over lange afstanden, optische kwantumdetectie en optische kwantumcomputers mogelijk maken.

"We hebben nauwgezet een complex type iNFS gegenereerd door ons Fourier-getransformeerde fotonische kwantumcircuit te gebruiken om twee fotonen in drie verschillende routes te manifesteren, wat het meest uitdagende fenomeen van voorwaardelijke coherentie is om te bereiken", legt co-auteur Ryo Okamoto uit.

Bovendien vergeleek deze studie een ander fenomeen met de wijdverbreid toegepaste kwantumverstrengeling, die verschijnt en verdwijnt door slechts een enkel lineair optisch element te passeren. Kwantumverstrengeling is een kwantumtoestand met twee of meer gecorreleerde toestanden in een superpositie tussen twee afzonderlijke systemen.

"Verrassend genoeg toont dit onderzoek aan dat iNFS-eigenschappen niet veranderen wanneer ze door een netwerk van vele lineaire optische elementen gaan, wat een sprong voorwaarts betekent in de optische kwantumtechnologie", zegt co-auteur Holger F. Hofmann van de Universiteit van Hiroshima.

Takeuchi's team stelt dat iNFS voorwaardelijke coherentie vertoont, een enigszins mysterieus fenomeen, waarbij het detecteren van zelfs maar één foton het bestaan ​​van de resterende fotonen in een superpositie van meerdere paden aangeeft.

"Onze volgende fase is het realiseren van grootschalige multiphoton-, multimode-toestanden en optische kwantumcircuitchips", kondigt Takeuchi aan.

Meer informatie: Geobae Park et al, Realisatie van fotoncorrelaties voorbij de limiet van de lineaire optica, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj8146

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door de Universiteit van Kyoto