Aşırı kayıplara rağmen çok modlu ışığın kuantum özellikleri gözlemlendi

Işığın kuantum özellikleri son derece hassastır. Araştırmacılar bunları ölçmeye çalıştığında, dedektöre giden yoldaki küçük kayıplar bile onları görünmez hale getirebilir ve dikkatle kontrol edilen ortamlar dışında kullanımlarını sınırlayabilir. Max Planck Işık Bilimi Enstitüsü’ndeki (MPL) bilim adamlarından oluşan işbirliğine dayalı bir araştırma ekibi, ışığın neredeyse tamamı dedektöre ulaşmadan kaybolsa bile, aynı anda birkaç kuantum ışık kanalını ölçmenin ve bunların dolaşıklığını ortaya çıkarmanın yeni bir yolunu gösterdi. Sonuçlar yakın zamanda yayınlandı Doğa İletişimiölçeklenebilir kuantum teknolojileri için yeni olanaklara kapı açıyor.

Eski bir radyo veya televizyon kullanmış olan herkes ses veya görüntüdeki gürültüye aşinadır. Bunlar iletilen bilgiyi bozan rastgele dalgalanmalardır. Işık da benzer şekilde davranır. Aynı zamanda elektromanyetik alanın dalgalanmaları gibi görünen gürültü de sergiler. Mükemmel lazer ışığında bile atış gürültüsü olarak bilinen bu tür dalgalanmalar vardır.

Sıkıştırılmış ışık: Aynı anda çözüm ve meydan okuma

Işığın gürültüsü, sıkıştırma adı verilen bir kuantum işlemiyle atış gürültüsünün altına bile düşürülebilir. Sıkıştırılmış ışık artık kuantum hesaplamadan hassas ölçümlere kadar birçok kuantum teknolojisinde merkezi bir kaynaktır. Örneğin yerçekimsel dalgaları tespit eden gözlemevlerinden biri olan LIGO’da uzaydan gelen son derece zayıf sinyallere karşı duyarlılığı artırmak için kullanılıyor.

Işığın tüm kuantum durumları kırılgandır ancak sıkıştırılmış ışık özellikle kayba karşı hassastır. Bu sadece optik işlemler sırasında değil aynı zamanda algılama sırasında da ciddi bir sorundur: Kayıplı bir dedektör, gürültü azaltma ve dolaşma gibi ölçmek istenen kuantum özelliklerini gizleyebilir. Bu durum, bir sabun köpüğünü dar bir borudan geçirirken sağlam tutmaya çalışmakla eşdeğer olan sıkma işleminin pratik kullanımını uzun süredir sınırlamıştır.

Daha fazla mod, daha fazla olasılık

MPL (Almanya), Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (Almanya), Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (Brezilya) ve Laboratoire Kastler Brossel’den (Fransa) bilim adamlarından oluşan uluslararası bir ekip, mevcut çalışmalarında birden fazla modda sıkıştırılmış ışık üretti. Çok modlu ışık, aynı yöne giden birçok yolun bulunmasına benzer: Daha fazla yol kullanmak, toplam taşıma kapasitesini artırır. Benzer şekilde, bir ışık ışınının modları bilgi taşımak için bağımsız kanallar olarak hareket eder. Bununla birlikte, aynı anda birden fazla sıkıştırılmış ışık moduyla uğraşmak, tek bir sıkıştırılmış ışık ışınını kullanmaktan teknik açıdan daha zordur.

Kuantum ışığının amplifikasyonla paketlenmesi

Sıkıştırılmış çok modlu ışığı doğrudan ölçmek yerine, MPL’deki Kuantum Radyasyon araştırma grubunun başkanı Prof. Maria Chekhova liderliğindeki bilim adamları, önce bunu çok modlu bir optik parametrik amplifikatör (şemada MOPA olarak etiketlenmiştir) kullanarak güçlendirdiler. Böyle bir cihaz, gürültü eklemeden sinyali güçlendirerek, güçlü kayıpların varlığında bile kuantum özelliklerinin ölçülmesine olanak tanır.

Ph.D. Mahmoud Kalash, “Algılamadan önce bir kuantum durumunun güçlendirilmesi, kırılgan camın nakliyeden önce düzgün şekilde paketlenmesine benzer” diyor. FAU öğrencisi ve makalenin ilk yazarı.

Amplifikasyonun ardından ekip, uzaysal ışık modülatörü (SLM) kullanarak ışığı bireysel modlara ayırdı. Bu cihaz, her modu farklı bir yöne göndererek her birine bireysel erişim sağlar. Bu ayırmanın önemli bir dezavantajı vardır: ayıklama işlemi aşırı kayıplara neden olur. Işığın %99,7’sinden fazlası tespit edilmeden önce kaybolur. Normal koşullar altında bu, kuantum özelliklerini tamamen yok eder. Ancak sinyal önceden güçlendirildiği için bu özelliklere erişilebilir kalır.

Araştırmacılar, mükemmel bir lazerin altıda biri gürültü seviyesine karşılık gelen 7,9 desibele kadar sıkışma ölçtüler. Ek olarak ekip aynı anda sekiz modu daha izledi. Tüm modlar önemli ölçüde sıkışma ve yüksek saflık gösterdi ve mod grupları kuantum dolaşma gösterdi (MOPA girişindeki bağlantılara sahip düğümlerle tasvir edilmiştir).

Sonuçlar, çok modlu kuantum ışığının aşırı kayıplar altında bile ölçülebileceğini gösteriyor. Araştırmacılar, karmaşık kuantum durumlarının tespitindeki sınırlamaların nasıl aşılacağını ve gerçek dünyadaki yüksek boyutlu kuantum teknolojilerine doğru pratik bir yol sağlanacağını gösteriyor.

CBPF araştırma grubu lideri ve çalışmanın ortak yazarı Marcello Passos, “Bu çalışmada sunulan yöntem, özellikle birçok modun aynı anda bilgiyi işleyebildiği karmaşık ağlara sahip kuantum hesaplamada, yüksek boyutlu kuantum bilgi işleme için yeni olanaklar açıyor” diyor.