En undersøgelse fra Technion afslører en nyopdaget form for kvanteforvikling i det samlede vinkelmomentum af fotoner, der er begrænset i nanoskala -strukturer. Denne opdagelse kunne spille en nøglerolle i den fremtidige miniaturisering af kvantekommunikation og computerkomponenter.
Kvantefysik fører undertiden til meget ukonventionelle forudsigelser. Dette er, hvad der skete, da Albert Einstein og hans kolleger, Boris Podolsky og Nathan Rosen (som senere grundlagde fakultetet for fysik ved Technion), fandt et scenarie, hvor det at kende staten for den ene partikel straks påvirker staten for den anden partikel, uanset hvor stor afstanden mellem dem. Deres historiske papir fra 1935 fik tilnavnet EPR efter sine tre forfattere (Einstein – Podolsky – Rosen).
Ideen om, at det at kende tilstanden af en partikel vil påvirke en anden partikel placeret i en enorm afstand fra den uden fysisk interaktion og informationsoverførsel, virkede absurd over for Einstein, der kaldte det “uhyggelig handling på afstand.”
Men banebrydende arbejde af en anden teknisk forsker, forskningsprofessor Asher Peres fra Fakultetet for fysik, viste, at denne egenskab kan bruges til at overføre information på en skjult måde – kvantumteleportering, som er grundlaget for kvantekommunikation. Denne opdagelse blev foretaget af professor Peres med sine kolleger Charles Bennett og Gilles Brassard.
Fænomenet modtog senere det videnskabelige navn kvanteforvikling, og for dets måling og implikationer, der inkluderer muligheden for kvanteberegning og kvantekommunikation, blev Nobelprisen i fysik tildelt 2022 til Profs. Alain Aspect og Anton Zeilinger, der tidligere modtog æresdoktorater fra Technion, og deres kollega prof. John Clauser.
Kvanteforvikling er hidtil blevet påvist for en lang række partikler og for deres forskellige egenskaber. For fotoner, lyspartikler, kan sammenfiltring eksistere for deres kørselsretning, frekvens (farve) eller den retning, hvor deres elektriske feltpunkter er. Det kan også eksistere for egenskaber, der er sværere at forestille sig, såsom vinkelmoment.
Denne egenskab er opdelt i spin, der er relateret til fotons rotation af det elektriske felt, og bane, som er relateret til fotons rotationsbevægelse i rummet. Dette ligner intuitivt Jorden, der roterer på sin akse og kredser også solen på en cirkulær sti.
Det er let for os at forestille os disse to rotationsegenskaber som separate mængder, og faktisk fotoner bundet i en lysstråle meget bredere end deres bølgelængde. Men når vi prøver at sætte fotoner i strukturer, der er mindre end den fotoniske bølgelængde – hvilket er bestræbelserne på området nanofotonik – opdager vi, at det er umuligt at adskille de forskellige rotationsegenskaber, og fotonen er kendetegnet ved en enkelt mængde, det samlede vinkelmoment.
Så hvorfor ville vi endda ønske at sætte fotoner i så små strukturer? Der er to hovedårsager til dette. Den ene er åbenlyst – det vil hjælpe os med at miniaturisere enheder, der bruger lys og dermed presse flere operationer til en lille områdecelle, svarende til miniaturisering af elektroniske kredsløb.
Den anden grund er endnu vigtigere: Denne miniaturisering øger samspillet mellem fotonen og det materiale, som fotonen rejser (eller er nær), hvilket giver os mulighed for at producere fænomener og anvendelser, der ikke er mulige med fotoner i deres “normale” dimensioner.
I en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet NaturTechnion -forskerne, ledet af ph.d. Student Amit Kam og Dr. Shai Tsesses opdagede, at det er muligt at sammenfiltrere fotoner i nanoskala -systemer, der er en tusindedel af størrelsen på et hår, men sammenfiltreringen udføres ikke af de konventionelle egenskaber i fotonen, såsom spin eller bane, men kun af det samlede vinkelmoment.
Technion -forskerne afslørede den proces, som fotoner gennemgår fra det stadie, hvor de introduceres i nanoskala -systemet, indtil de forlader målesystemet, og fandt, at denne overgang beriger det rum, som fotonerne kan opholde sig i.
I en række målinger kortlagde forskerne disse tilstande, sammenfiltrede dem med den samme egenskab, der var unikke for nanoskala -systemer, og bekræftede korrespondancen mellem fotonpar, der indikerer kvanteforfattere.
Dette er den første opdagelse af en ny kvanteforvikling på mere end 20 år, og det kan i fremtiden føre til udviklingen af nye værktøjer til design af fotonbaserede kvantekommunikation og computerkomponenter samt til deres betydelige miniaturisering.