Ο κβαντικός συσχετισμός αυξάνεται με ένα laser

Από σελίδα του PhysicsWeb 29 Αυγούστου 2001

Tα λέιζερ έχουν χρησιμοποιηθεί για να ενισχύσουν το φως επί πολλά έτη, αλλά οι φυσικοί έχουν επιτύχει τώρα έναν παρόμοιο άθλο με τα ζευγάρια των "πεπλεγμένων" φωτονίων για πρώτη φορά. Το φαινόμενο θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια αξιόπιστη μέθοδο για τέτοια ζευγάρια, τα οποία θα μπορούσαν να είναι η βάση των μελλοντικών κβαντικών υπολογιστών και των τεχνικών κρυπτογράφησης. Ο Antia Lamas-Linares και οι συνάδελφοι του στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, εκμεταλλεύτηκαν τα κβαντικά αποτελέσματα για να ωθήσουν τον αριθμό των πεπλεγμένων φωτονίων που δημιουργούνται όταν το φως ενός υπεριώδους λέιζερ περνά μέσω ενός κρυστάλλου (Nature 412 887).

Υπό ορισμένες συνθήκες, ένα υπεριώδες φωτόνιο μπορεί αυθόρμητα να χωριστεί σε δύο υπέρυθρα φωτόνια χαμηλής ενέργειας - αυτό που είναι γνωστό ως κάτω-μετατροπή. Οι πολώσεις αυτών των δύο φωτονίων συσχετίζονται στενά: μια μέτρηση της πόλωσης ενός φωτονίου θα αποκάλυπτε την πόλωση του άλλου, ακόμα κι αν ήταν αρκετά χωριστά. Αυτό είναι ένα παράδειγμα του "συσχετισμού" ('entanglement') - ένας συσχετισμός που μπορεί να υπάρξει μεταξύ κβαντικών σωματιδίων που είναι πολύ ισχυρότερη από αυτά που επιτρέπονται στη κλασσική φυσική.

Αλλά τα πεπλεγμένα ζευγάρια φωτονίων αυτού του είδους προκύπτουν σπάνια στις υπεριώδεις ακτίνες. Προκειμένου να δημιουργηθούν περισσότερα ζευγάρια, ο Lamas-Linares και οι συνάδελφοι του έβαλαν να λάμψει ένα παλμικό υπεριώδες λέιζερ μέσω ενός κρυστάλλου άλατος του βορικού βαρίου. Όπως αναμένετο, ένα από τα εκατομμύρια των φωτονίων διασπάστηκαν   σε δύο υπέρυθρα φωτόνια μέσω της διαδικασίας κάτω-μετατροπής. Αυτά τα φωτόνια άφησαν τον κρύσταλλο διαγωνίως στην κατεύθυνση που ταξίδευε ο παλμός του λέιζερ, και καθρέφτες κατόπιν τα ανάκλασαν πίσω στον κρύσταλλο. Εν τω μεταξύ, ο παλμός του λέιζερ που πέρασε μέσω του κρυστάλλου ανακλάστηκε επίσης προς τα πίσω. Οι καθρέφτες διευθετήθηκαν έτσι ώστε ο ανακλώμενος παλμός λέιζερ έφθασε στον κρύσταλλο ακριβώς στον ίδιο χρόνο με τα πεπλεγμένα φωτόνια.

Η κβαντική αλληλεπίδραση των πεπλεγμένων φωτονίων και ο ανακλώμενος παλμός προκάλεσαν την παραγωγή ενός άλλου ζευγαριού πεπλεγμένων φωτονίων. Κλασικά, αυτό θα οδηγούσε σε δύο ζευγάρια φωτονίων, αλλά επειδή αυτό είναι μια κβαντική διαδικασία συμβολής, μπορεί να παραγάγει το μέγιστο τέσσερα ζευγάρια φωτονίων ή ενός ελάχιστου από μηδέν. Αυτό είναι ανάλογο με την ενίσχυση ή την αναιρετική συμβολή των φωτεινών κυμάτων σε μιά περίθλαση, και μπορεί να οδηγήσει σε μια τετραπλή αύξηση στον αριθμό των πεπλεγμένων φωτονίων που παράγονται. Το φαινόμενο μπορεί επίσης να πολλαπλασιάσει τον αριθμό των πεπλεγμένων φωτονίων έως δέκα έξι εάν εφαρμόζεται σε ένα ακόμα σπανιότερο σύστημα που αποτελείται από τέσσερα πεπλεγμένα φωτόνια.

"Οι διαθέσιμες σήμερα πηγές πεπλεγμένων φωτονίων είναι εξαιρετικά αδύνατες, αλλά η δράση των λέιζερ για τα πεπλεγμένα φωτόνια μπορεί να παραγάγει πολύ φωτεινές πηγές από πεπλεγμένα ζευγάρια φωτονίων", είπε ο Lamas-Linares στο PhysicsWeb. "Η δράση των λέιζερ θα δημιουργήσει επίσης πολύ πιό περίπλοκες πεπλεγμένες καταστάσεις που περιλαμβάνει πολλά φωτόνια και είναι πιθανό να διαδραματίσει έναν σημαντικό ρόλο στην πραγματοποίηση διάφορων πρόσφατων θεωρητικών εξελίξεων στην κβαντική πληροφορία."