Η συνένωση δύο όμοιων φωτονίων σε ένα

Από τη σελίδα του Nature, 10 Οκτωβρίου 2002

Η συσκευή που χρησιμοποιήθηκε για να ελεγχθεί η ομοιότητα των φωτονίων που εκπέμπονται από μια πηγή μεμονωμένων φωτονίων.

Οι συσκευές που μπορούν να παράγουν ένα μόνο φωτόνιο κάθε φορά, έχουν κατ' αρχήν σημαντικές εφαρμογές στην επεξεργασία της κβαντικής πληροφορίας και στη μελέτη της κβαντικής φύσης του φωτός.

Αυτές οι συσκευές παραγωγής μεμονωμένων φωτονίων είναι απαραίτητο να είναι ελεγχόμενες, δηλαδή να παράγουν τα φωτόνια όποτε εμείς θέλουμε, αλλά επίσης και τα διαδοχικά παραγόμενα φωτόνια να είναι απολύτως όμοια. Στο τελευταίο τεύχος του περιοδικού Nature, ο Charles Santori και οι συνεργάτες του, αποκαλύπτουν μια πηγή φωτός που ικανοποιεί αυτές τις προϋποθέσεις.

Ένας τρόπος για να ελεγχθεί η ομοιότητα - η μη διακρισιμότητα- των φωτονίων μιας πηγής είναι να ερευνήσουμε μια ιδιόμορφη κβαντική συμβολή δύο φωτονίων, η οποία είναι γνωστή ως ομαδοποίηση φωτονίων. Όταν δύο φωτόνια που διαδίδονται σε κάθετες μεταξύ τους διευθύνσεις, φθάνουν συγχρόνως σε κάποια πλευρά ενός διαχωριστή της δέσμης που επιτρέπει να περνάει το 50% μόνο της δέσμης, έχουμε τέσσερις μόνο δυνατότητες. Είτε και τα δύο φωτόνια ανακλώνται, είτε και τα δύο περνάνε μέσα από τον διαχωριστή, είτε το ένα φωτόνιο περνάει και το άλλο ανακλάται. Στην τελευταία περίπτωση, η τροχιά ενός εκ των δύο φωτονίων συμπίπτει με την αρχική του. Κλασσικά όλες αυτές οι δυνατότητες είναι εξίσου πιθανές. Επειδή όμως τα φωτόνια υπακούουν στη στατιστική Bose–Einstein, αν τα δύο φωτόνια είναι μη διακριτά μεταξύ τους και συμφασικά, θα συνενωθούν για να δημιουργήσουν μια ενιαία κατάσταση δύο φωτονίων. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να εγκαταλείψουν τον διαχωριστή κατά μήκος της μιας ή της άλλης των αρχικών τους τροχιών. Η πιθανότητα και τα δύο ν' ανακλαστούν είτε και τα δύο να περάσουν είναι μηδέν. 

Τέτοιες ομαδοποιήσεις φωτονίων παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά το 1986 από τους  Hong, Ou και Mandel (C. K. Hong et al. Phys. Rev. Lett. 59, 2044–2046; 1987). Αυτοί χρησιμοποίησαν συσχετισμένα ζεύγη φωτονίων ως πηγή όμοιων φωτονίων. Στην πιο πρόσφατη μελέτη ο Santori και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν φωτόνια που εκπέμφθηκαν ανεξάρτητα, από μια ημιαγώγιμη πηγή μεμονωμένων φωτονίων. Όπως και στην εργασία του Hong, η ομάδα του Santori είδε μια σημαντική ελάττωση της πιθανότητας ανίχνευσης φωτονίων στις εξόδους του ημιπερατού διαχωριστή, καθώς μετέβαλαν το μήκος της διαδρομής της μιας δέσμης, ώστε να γίνει συμφασική με την άλλη (δες και την εικόνα). Από τα αποτελέσματά τους, οι ερευνητές εκτιμούν ότι η μέση επικάλυψη των κυματοπακέτων, η οποία είναι μέτρο της μη διακρισιμότητας των φωτονίων, ανερχόταν σε ποσοστό 81%.

Αν και θα πρέπει να υπερνικηθούν πολλές τεχνικές δυσκολίες προκειμένου οι κβαντικοί υπολογιστές και οι κβαντικές συσκευές κρυπτογράφησης να γίνουν πραγματικότητα, τα αποτελέσματα αυτά είναι ένα υποσχόμενο βήμα προς τη χρήση των πηγών ενός φωτονίου, για εφαρμογές κβαντικής επεξεργασίας της πληροφορίας. 

Δείτε και τα σχετικά άρθρα
Κβαντικές ακίδες ανιχνεύουν μικροκυματικά φωτόνια
Home