Första demonstrationen av 10-Photon Quantum Entanglement sätter nytt rekord

Entanglement är det märkliga fenomenet där kvantpartiklar blir så djupt sammanlänkade att de delar samma existens. En gång sällsynta, har intrasslande partiklar blivit rutin i labb över hela världen.

Fysiker har lärt sig hur man skapar förveckling, överför den från en partikel till en annan och till och med destillerar den. I själva verket har intrassling blivit en resurs i sig och en avgörande resurs för allt från kryptografi och teleportering till datoranvändning och simulering.

Men ett betydande problem kvarstår. För att utföra allt mer komplexa och kraftfulla experiment måste fysiker producera intrassling i allt större skala genom att trassla in fler partiklar samtidigt.

De nuvarande siffrorna är dock ynka. Fotoner är kvantarbetshästarna i de flesta laboratorier och rekordet för antalet intrasslade fotoner är bara åtta, producerade med en hastighet av cirka nio händelser per timme.

Att använda samma tekniker för att skapa en räknefrekvens på 10 fotoner skulle resultera i endast 170 per år, för få till och med för att enkelt kunna mätas. Så utsikterna till förbättring har verkat avlägsna.

Det är därför som Xi-Lin Wangs och kompisars arbete vid University of Science and Technology i Kina i Heifu är imponerande. Idag tillkännager de att de har producerat 10-foton intrassling för första gången, och de har gjort det med en räknehastighet som är tre storleksordningar högre än något möjligt hittills.

Den största flaskhalsen med att trassla in fotoner är sättet de produceras på. Detta involverar en process som kallas spontan parametrisk nedkonvertering, där en energisk foton omvandlas till två fotoner med lägre energi inuti en kristall av beta-bariumborat. Dessa dotterfotoner är naturligt intrasslade.

Genom att zappa kristallen kontinuerligt med en laserstråle är det möjligt att skapa en ström av intrasslade fotonpar. Dock är nedkonverteringshastigheten liten, bara en foton per biljon. Så att samla ihop de intrasslade paren effektivt är oerhört viktigt.

Det är inga lätta uppgifter, inte minst eftersom fotonerna kommer ut ur kristallen i lite olika riktningar, varken kan lätt förutsägas. Fysiker samlar fotonerna från de två punkter där det är mest sannolikt att de dyker upp men de flesta av de intrasslade fotonerna går förlorade.

Xi-Lin och co har tacklat detta problem genom att minska osäkerheten i fotonriktningarna. De har faktiskt kunnat forma strålarna av intrasslade fotoner så att de bildar två separata cirkulära strålar, som lättare kan samlas in.

På detta sätt har teamet genererat intrasslade fotonpar med en hastighet av cirka 10 miljoner per watt lasereffekt. Detta är ljusare än tidigare intrasslingsgeneratorer med en faktor på cirka fyra. Det är denna förbättring som gör 10-foton intrassling möjlig.

Deras metod är att samla fem successivt genererade par av intrasslade fotoner och skicka dem till ett optiskt nätverk av fyra stråldelare. Teamet introducerar sedan tidsfördröjningar som säkerställer att fotonerna anländer till stråldelaren samtidigt och så blir intrasslade.

Detta skapar det intrasslade 10-fotontillståndet, om än med en hastighet av cirka fyra per timme, vilket är lågt men till slut mätbart för första gången. Vi demonstrerar, för första gången, äkta och destillerbar intrassling av 10 enstaka fotoner, säger Xi-Lin och co.

Det är ett imponerande arbete som omedelbart öppnar utsikterna för en ny generation av experiment. Den mest spännande av dessa är en teknik som kallas bosonsampling som fysiker hoppas ska bevisa att kvantdatorer verkligen är kapabla till saker som klassiska datorer inte är.

Det är viktigt eftersom ingen har byggt en kvantdator som är kraftfullare än en fickkalkylator (de kontroversiella D-Wave-resultaten åsido). Inte heller kommer de sannolikt att göra det inom en snar framtid. Så bosonsampling är kvantfysikers största hopp som kommer att göra det möjligt för dem att visa upp den häpnadsväckande kraften i kvantberäkningar för första gången.

Andra saker blir också möjliga, som kvantteleportering av tre frihetsgrader i en enda foton och multifotonexperiment över mycket långa avstånd.

Men det är möjligheten till bosonsampling som kommer att skicka en frisson genom kvantfysikgemenskapen.

Ref: arxiv.org/abs/1605.08547 : Experimentell tio-foton entanglement

Dölj