Technion’dan yapılan bir çalışma, nano ölçekli yapılarda sınırlandırılmış fotonların toplam açısal momentumunda yeni keşfedilen bir kuantum dolaştırma biçimini ortaya koymaktadır. Bu keşif, kuantum iletişim ve bilgi işlem bileşenlerinin gelecekteki minyatürleştirmesinde önemli bir rol oynayabilir.
Kuantum fiziği bazen çok alışılmadık tahminlere yol açar. Albert Einstein ve meslektaşları Boris Podolsky ve Nathan Rosen (daha sonra Technion’da Fizik Fakültesi’ni kuran), bir parçacığın durumunu bilmenin, aralarındaki mesafeyi ne kadar büyük olursa olsun, diğer parçacığın durumunu hemen etkilediği bir senaryo bulduğunda olan budur. Tarihi 1935 makaleleri, üç yazarından sonra EPR olarak adlandırıldı (Einstein – Podolsky -Rotor).
Bir parçacığın durumunu bilmenin, fiziksel etkileşim ve bilgi transferi olmadan, ondan büyük bir mesafede bulunan başka bir parçacığı etkileyeceği fikri, “uzaktan ürkütücü eylem” adını veren Einstein’a saçma görünüyordu.
Ancak başka bir teknik araştırmacı tarafından çığır açan çalışmalar, Fizik Fakültesi’nden Prof. Asher Peres, bu mülkün bilgiyi kuantum iletişiminin temeli olan gizli bir şekilde – quantum ışınlanması için kullanabileceğini gösterdi. Bu keşif Prof. Peres tarafından meslektaşları Charles Bennett ve Gilles Brassard ile yapıldı.
Bu fenomen daha sonra bilimsel adı kuantum dolaşımını aldı ve kuantum bilgi işlem ve kuantum iletişimi olasılığını içeren ölçüm ve sonuçları için 2022 Fizik Ödülü Profes’e verildi. Daha önce Technion’dan fahri doktora alan Alain Enctle ve Anton Zeilinger ve meslektaşı Prof. John Clauser.
Kuantum dolaşımı şimdiye kadar çok çeşitli parçacıklar ve çeşitli özellikleri için gösterilmiştir. Fotonlar için, ışık parçacıkları, seyahat yönleri, frekans (renk) veya elektrik alanlarının noktalarının yönleri için var olabilir. Açısal momentum gibi hayal edilmesi daha zor olan özellikler için de mevcut olabilir.
Bu özellik, fotonun elektrik alanının dönüşü ve fotonun uzaydaki dönme hareketiyle ilgili yörüngeye bağlı spin’e bölünmüştür. Bu sezgisel olarak ekseninde dönen ve ayrıca güneşi dairesel bir yolda yörüngede bırakan Dünya’ya benzer.
Bu iki dönme özelliğini ayrı miktarlar ve gerçekten de dalga boylarından çok daha geniş bir ışık demetine bağlı fotonlar olarak hayal etmek kolaydır. Bununla birlikte, fotonları nanofotonik alanının çabası olan fotonik dalga boyundan daha küçük yapılara koymaya çalıştığımızda, farklı dönme özelliklerini ayırmanın imkansız olduğunu ve fotonun tek bir miktar, toplam açısal momentum ile karakterize olduğunu keşfetiyoruz.
Öyleyse neden fotonları bu kadar küçük yapılara koymak isteyelim ki? Bunun iki ana nedeni var. Biri açıktır – ışık kullanan cihazları minyatürleştirmemize ve böylece elektronik devrelerin minyatürleştirilmesine benzer şekilde küçük bir alan hücresine daha fazla işlem sıkmamıza yardımcı olacaktır.
Diğer neden daha da önemlidir: Bu minyatürleştirme, foton ve fotonun seyahat ettiği (veya yakın olduğu) malzeme arasındaki etkileşimi arttırır, böylece fenomen üretmemize ve “normal” boyutlarında fotonlarla mümkün olmayan kullanımlar üretmemize izin verir.
Dergide yayınlanan bir çalışmada DoğaPh.D. Öğrenci Amit Kam ve Dr. Shai Tsesses, bir saçın bininci büyüklüğünde nano ölçekli sistemlerde fotonların derlenmesinin mümkün olduğunu keşfettiler, ancak dolaşma, fotonun spin veya yörünge gibi geleneksel özellikleri tarafından gerçekleştirilmedi, ancak sadece toplam açısal momentum tarafından gerçekleştirildi.
Teknik araştırmacılar, fotonların ölçüm sisteminden çıkıncaya kadar nano ölçekli sisteme sokuldukları aşamadan geçtikleri sürecini ortaya koydu ve bu geçişin fotonların bulunabileceği durumların alanını zenginleştirdiğini buldu.
Bir dizi ölçümde, araştırmacılar bu durumları haritaladılar, nano ölçekli sistemlere özgü aynı özellikle dolaştılar ve kuantum dolumunu gösteren foton çiftleri arasındaki yazışmaları doğruladılar.
Bu, 20 yıldan fazla bir süredir yeni bir kuantum dolaşımının ilk keşfidir ve gelecekte foton tabanlı kuantum iletişim ve hesaplama bileşenlerinin tasarımı ve önemli minyatürleştirmeleri için yeni araçların geliştirilmesine yol açabilir.
