Φυσικοί για πρώτη φορά συμπιέζουν φως στα κβαντικά όρια

Πηγή: PhysOrg, 2 Ιανουαρίου 2009

Φυσικοί του Πανεπιστημίου του Τορόντο έκαναν επίδειξη μιας νέας τεχνικής για να φέρουν το φως στο θεμελιώδες κβαντικό όριο του, μια ανακάλυψη που έχει εφαρμογές για μετρήσεις υψηλής ακρίβειας, για την επόμενη γενιά ατομικών ρολογιών, για ένα νέο κβαντικό υπολογισμό ή και για πιο θεμελιώδη κατανόηση του σύμπαντος.

"Η ακρίβεια στη μέτρηση βρίσκεται στο επίκεντρο όλης της πειραματικής επιστήμης: με όσο μεγαλύτερη ακρίβεια μπορούμε να μετρήσουμε κάτι τόσο περισσότερες πληροφορίες μπορούμε να αποκτήσουμε. Στον κβαντική κόσμο, όπου τα πράγματα γίνονται όλο και μικρότερα, η ακρίβεια της μέτρησης καθίσταται όλο και πιο ασαφής και αβέβαιη," εξήγησε ο μεταπτυχιακός φοιτητής Krister Shalm.

Αριστερά: Μια εξέλιξη των συμπιεσμένων καταστάσεων του τριφωτόνιου που κινείται σπειροειδώς προς τα έξω. Η κβαντική αβεβαιότητα στα τριφωτόνια μπορούν να παριστάνονται ως μία άμορφη μάζα σε μια σφαίρα που σταδιακά "συμπιέζεται".

Το φως είναι ένα από τα πιο ακριβή εργαλεία μέτρησης στη φυσική και έχει χρησιμοποιηθεί για να δοκιμαστούν θεμελιώδη ζητήματα στον τομέα της επιστήμης, από την ειδική σχετικότητα έως την κβαντική βαρύτητα. Όμως, το φως έχει τα όριά του στον κόσμο της σύγχρονης κβαντικής τεχνολογίας.

Το πιο μικρό σωματίδιο του φωτός είναι το φωτόνιο και είναι τόσο μικρό που ένας συνηθισμένος λαμπτήρας εκπέμπει δισεκατομμύρια φωτόνια σε ένα τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου.

"Παρά τον αφάνταστα αβέβαιο χαρακτήρα αυτών των μικροσκοπικών σωματιδίων, οι σύγχρονες κβαντικές τεχνολογίες βασίζονται στα μονήρη φωτόνια για την αποθήκευση και την διαχείριση πληροφοριών. Όμως η αβεβαιότητα που υπάρχει στον μικρόκοσμο, είναι γνωστή και ως κβαντικός θόρυβος, μειώνει την πληροφορία," δήλωσε ο καθηγητής της φυσικής στο πανεπιστήμιο του Τορόντο Aephraim Steinberg.

Η μείωση ή συμπίεση της τιμής μιας ποσότητας είναι ένας τρόπος για να αυξηθεί η βεβαιότητα της, όπως για παράδειγμα η θέση ή η ταχύτητα, αλλά αυτό γίνεται με κάποιο κόστος. "Εάν μειώσετε την βεβαιότητα μιας ιδιότητας που έχει ένα ιδιαίτερο ενδιαφέρον, τότε η αβεβαιότητα των συμπληρωματικών ιδιοτήτων της αναπόφευκτα αυξάνεται", είπε.

Στο πείραμα οι φυσικοί του Πανεπιστημίου του Τορόντο συνδύασαν μαζί τρία χωριστά φωτόνια μέσα σε μια οπτική ίνα, για να δημιουργήσουν ένα τριφωτόνιο (triphoton).

"Ένα παράξενο χαρακτηριστικό της κβαντικής φυσικής είναι ότι όταν συνδυάζονται πολλά πανομοιότυπα φωτόνια σε οπτικές ίνες, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται για να μεταφέρουν το Internet στα σπίτια μας, θα υποστούν μια" κρίση ταυτότητας", και δεν μπορεί πλέον κανείς να ξεχωρίσει τι κάνει ένα φωτόνιο," λέει ο Steinberg.

Οι φυσικοί στη συνέχεια συμπίεσαν την κατάσταση του τριφωτόνιου για να συγκεντρώσουν τις κβαντικές πληροφορίες που ήταν κωδικοποιημένες στην πόλωση του τριφωτόνιου.

Σε όλες τις προηγούμενες εργασίες, θεωρήθηκε ότι θα μπορούσε κανείς να συμπιέσει απεριόριστα, απλά αποδεχόμενος την αύξηση της αβεβαιότητας προς την κατεύθυνση που δεν ήταν ενδιαφέρουσα. "Αλλά ο κόσμος της πόλωσης όπως και η Γη δεν είναι επίπεδος", σχολιάζει ο Steinberg.

"Η κατάσταση της πόλωσης μπορεί να θεωρηθεί ως μια μικρή ήπειρος που επιπλέει  σε μια σφαίρα. Όταν εμείς συμπιέσαμε το τριφωτόνιο ή την ήπειρο στο παράδειγμα μας, αρχικά όλα προχώρησαν όπως στα προηγούμενα πειράματα. Όταν όμως συμπιέσαμε αρκετά σκληρά, τότε η ήπειρος επιμηκύνθηκε τόσο πολύ που άρχισε να τυλίγετε γύρω γύρω από την επιφάνεια της σφαίρας", πρόσθεσε.

"Για να συνεχίσουμε το παραπάνω παράδειγμα, όλα τα προηγούμενα πειράματα περιορίζονταν σε τέτοιες μικρές περιοχές, που η σφαίρα, σαν την πόλη σας, φαινόταν σαν να ήταν επίπεδη. Αυτή η εργασία απαιτούσε να χαρτογραφήσουμε το τριφωτόνιο σε μια υδρόγειο σφαίρα για να μας δώσει καλύτερη και εύκολη οπτικοποίηση. Με τον τρόπο αυτό, δείξαμε για πρώτη φορά ότι η σφαιρική φύση της πόλωσης δημιουργεί ποιοτικά διαφορετικές καταστάσεις και θέτει ένα όριο για το πόσο συμπίεση είναι δυνατή. "

"Δηλαδή αυτή η κατάσταση μας επιτρέπει να μελετήσουμε σωστά τα όρια της συμπίεσης", δήλωσε ο Rob Adamson, το τρίτο μέλος της ομάδας. "Για πρώτη φορά επιδείξαμε μια τεχνική για να παράγουμε οποιαδήποτε επιθυμητή κατάσταση τριφωτονίου και φαίνεται ότι η σφαιρική φύση των καταστάσεων της πόλωσης του φωτός έχει αναπόφευκτες συνέπειες. Για να το θέσουμε πιο απλά: με κατάλληλες οπτικές κβαντικές καταστάσεις του φωτός, θα πρέπει να τις σχεδιάζουμε σε μια σφαίρα."

Τα ευρήματα δημοσιεύονται στο περιοδικό Nature