27 Dimensionen! Physiker sehen Photonen in neuem Licht

Quantencomputer und Kommunikation Versprechen leistungsfähigere Maschinen und unzerbrechlich Codes. Aber damit sie arbeiten, ist es notwendig, den Quantenzustand Teilchen wie Photonen oder Atome messen. Quantenzustände sind Zahlen, die Partikeleigenschaften wie Dynamik oder Energie zu beschreiben.

Aber Quantenzustände zu messen ist schwierig und zeitaufwändig, weil der Akt des Tuns so sie ändert und die Mathematik komplex sein kann. Nun, sagt ein internationales Forscherteam fand sie eine effizientere Möglichkeit zu tun, die quantenmechanische Technologien bauen erleichtern könnte.

In einer Studie detailliert in der 20 Januar-Ausgabe der Zeitschrift Nature Communications nahmen Forscher von der University of Rochester und der University of Glasgow ein direktes Maß für 27-dimensionalen Quantenzustand ein Photon. Diese Dimensionen sind mathematische, nicht Dimensionen im Raum, und jeder einzelne ist eine Zahl, die Informationen speichert. Um einen 27-dimensionalen Quantenzustand zu verstehen, denken Sie an eine Linie in zwei Dimensionen beschrieben. Eine Linie hätte eine Richtung in die X- und Y-Koordinaten — 3 Zoll Links und 4 Zoll hoch, zum Beispiel. Der Quantenzustand hat 27 solcher Koordinaten. [Quantenphysik: die coolsten kleine Partikel in der Natur]

"Wir haben 27, Art, einen Punkt etwa 26 Buchstaben des Alphabets und werfen in eine weitere, machen", sagte Mehul Malik, jetzt ein Postdoc an TheUniversity von Wien. Das bedeutet, dass jeder Quantenbit oder "Qubit," einen Brief anstatt eine einfache 1 oder 0 speichern könnte.

Ein Photon zu sehen

Die Gruppe, unter der Leitung von Malik und Robert Boyd, Professor für Optik und Physik an der University of Rochester, war in der Lage, ein Photon Staaten direkt zu sehen. Sie Maßen orbital Drehimpuls des Photons, die ist wie viel die Partikel von leichten "Twist", wie sie durch den Raum reisen.

Normalerweise erfordert die Suche nach den Quantenzustand eines Photons einen zweistufiger Prozess. Erstens haben Wissenschaftler einige Eigenschaft des Photons, wie seine Polarisation oder Dynamik messen. Die Messung erfolgt auf viele Kopien von den Quantenzustand eines Photons. Aber dieser Prozess manchmal Fehler führt. Um den Fehler zu entfernen, haben die Wissenschaftler zu schauen welche Ergebnisse sie, dass bekam "unzulässige" Staaten sind — diejenigen, die die Gesetze der Physik nicht folgen. Aber der einzige Weg, sie zu finden ist, durchsuchen Sie die Ergebnisse und die, die unmöglich sind zu verwerfen. Das frisst eine Menge von Computer-Zeit und Aufwand. Diesen Vorgang nennt man Quanten-Tomographie. [Die 9 größten ungelösten Rätsel der Physik]

Eine Lichtwelle ist eine Kombination aus einem elektrischen und magnetischen Feldern, von denen jede oszilliert und macht eine Welle. Jede Welle bewegt sich im Takt mit den anderen, und sie sind senkrecht zueinander. Ein Lichtstrahl setzt sich aus vielen dieser Wellen.

Licht kann haben sogenannte orbital Angular Momentum. In einem Strahl mit keine orbital Angular Momentum, die Spitzen der Wellen – die elektrische, zum Beispiel — aufgereiht sind. Ein Flugzeug verbinden diese Spitzen werden flach. Wenn der Strahl orbital Angular Momentum hat, wird ein Flugzeug verbinden diese Spitzen machen, weil die Lichtwellen leicht voneinander versetzt sind, wie Sie, um den Strahl gehen eine Spirale, spiralförmige Muster. Um den Zustand der Photonen zu messen, müssen Wissenschaftler "Diese spiralförmige Form der Wellen in den Strahlengang zu entwirren".

Messung eines Photons Quantenzustand

Das Team zuerst abgefeuert einen Laser durch ein Stück des transparenten Polymer, das Licht, "Entschlüsselung" der Helix gebildet von den Wellen gebrochen. Das Licht ging dann durch spezielle Linsen und in ein Gitter, das macht viele Kopien des Strahls. Nach dem Durchlaufen der Gitter, breitet sich das Licht aus um einen breiteren Strahl zu bilden.

Nachdem der Strahl ausgeweitet wird, trifft es eine Gerät namens einer räumlichen Lichtmodulator. Der Modulator führt die erste Messung. Der Strahl reflektiert dann wieder in die gleiche Richtung es herkam und durchläuft einen Strahlteiler. An diesem Punkt bewegt sich Teil des Thebeam auf einen Schlitz, wodurch eine zweite Messung. [Verdreht Physik: 7 mind-blowing Experimente]

Eine der beiden Messungen heißt "schwach" und andererseits "stark." Durch die Messung zwei Eigenschaften, kann den Quantenzustand der Photonen ohne langwierige Fehlerkorrektur Berechnungen benötigten Tomographie rekonstruiert werden.

Quantencomputer ist der Quantenzustand des Partikels was das Qubit speichert. Zum Beispiel kann ein Qubit das Photon Polarisation oder sein Orbital angular Momentum gespeichert werden. Atome können auch Qubits, in deren Momenta oder Spins speichern.

Aktuelle Quantencomputer haben nur ein paar Bits in ihnen. Malik stellte fest, dass der Rekord liegt bei 14 Qubits mit Ionen. Die meiste Zeit, haben Ionen oder Photonen nur Acouple von Bits, die sie speichern können, die wie die Staaten zweidimensional können. Physiker zweidimensionale Systeme verwenden, denn das ist, was sie ändern können – es wäre sehr schwierig, mehr als zwei Dimensionen zu manipulieren, sagte er.

Direkte Messung im Gegensatz zur Computertomographie, sollten die Staaten von Teilchen (Photonen, in diesem Fall) zu messen erleichtern. Das würde bedeuten, es ist einfacher, mehr Dimensionen hinzufügen – drei, vier oder sogar – wie in diesem Experiment, 27 — und weitere Informationen zu speichern.

Mark Hillery, Professor für Physik am Hunter College in New York, war skeptisch, dass direkte Messung unbedingt besser als die aktuellen Techniken erweisen würde. "Es gibt eine Kontroverse über die schwache Messungen – insbesondere, ob sie wirklich sind nützlich oder nicht," Hillery schrieb in einer e-Mail zu LiveScience. "Für mich das Hauptproblem hier ist ob die Technik, die sie verwenden ist besser (effizienter) als Quantenzustand Tomographie zur Rekonstruktion der Quantenzustand, und zum Abschluss, sagen sie, sie weiß wirklich nicht."

Jeff Savail, Master Kandidat Forscher an Kanadas Simon Fraser University, arbeitete an eine ähnliche direkte Messaufgabe in Boyds Lab und seine Arbeit wurde in Maliks Studie zitiert. In einer e-Mail sagte er einer spannender Implikationen der "Measurement Problem." Das heißt, ist die Frage, warum einige Messungen Quantenzustände verderben, während andere nicht in quantenmechanischen Systemen eine tiefere philosophische Frage, als es über die Quantentechnologien selbst ist. "Das direkte Messverfahren gibt uns einen Weg nach rechts in das Herz der Quantenzustand zu sehen, was wir zu tun haben," sagte er. Das bedeutet nicht, dass es nicht nützlich – ganz im Gegenteil. "Möglicherweise gibt es auch Anwendungen in der Bildgebung, wie die Kenntnis der Wellenfunktion des Bildes, anstatt den Platz sehr nützlich sein können."

Malik vereinbart, dass weitere Versuche sind notwendig, aber er denkt noch, dass die Vorteile in der relativen Geschwindigkeit möglicherweise die direkte Messung bietet. "Tomographie reduziert Fehler, aber die Nachbearbeitung [Berechnungen] kann Stunden dauern," sagte er.

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