Ett robust invariant tillstånd bland sköra kvanttillstånd

Kvanttillstånd är i allmänhet mycket sköra och förstörs lätt av brus. Det finns dock kvanttillstånd som tål mycket mer brus än andra, så kallade invarianta tillstånd. Fysikerna Magnus Rådmark och Mohamed Bourennane vid Fysikum har nyligen lyckats generera ett högkvalitativt invariant tillstånd i sex sammanflätade fotoner, ett tillstånd som har potentiella tillämpningar inom kvantdatorer och inom kvantkommunikation och -kryptografi. Exempelvis gör tillståndets invarians att det är immunt mot vissa typer av brus och det är därför särskilt lämpligt att använda för kommunikation av kvantinformation när man har dåliga ledningar eller saknar en gemensam referensram. Rådmarks och Bourennanes arbete har också blivit utvald som extra viktig, exceptionell forskning och en sammanfattande artikel för en bredare forskarpublik har publicerats i den årliga upplagan av tidskriften Physics.

Sex sammanflätade fotoner

Sammanflätade tillstånd med sex fotoner
Figur 1: Kvanttillståndets stabilitet vid olika störningar.Mätresultat av det invarianta tillståndet utan extra störning (a), med störning motsvarande vridning av horisontell till diagonal polarisation (b), och med störning motsvarande vridning av horisontell till vänstervriden cirkulär polarisation (c).


Kvantinformation har förutsättningar att tillhandahålla villkorslöst säker kommunikation, med hjälp av kvantkryptografi, och förmågan att utföra vissa beräkningsuppgifter, exempelvis att faktorisera stora tal, mycket effektivare och snabbare än med konventionella datorer. För att åstadkomma detta måste man kunna bearbeta och kommunicera kvantinformation som är baserad på superpositioner av kvanttillstånd. Dessa kvantsuperpositioner är dock mycket sköra och kan lätt förstöras av dekoherensprocesser. Sådant okontrollerbart brus orsakar störningar i kommunikationer eller fel i beräkningar. Det finns dock sätt att övervinna dekoherens. Till exempel om interaktionen mellan en kvantbit och dess omgivning, oavsett styrka, uppvisar någon symmetri, så finns det kvanttillstånd som är invarianta under denna interaktion. Dessa tillstånd kallas dekoherensfria tillstånd och möjliggör skydd av kvantinformation.

Ett av två kvanttillstånd av sex sammanflätade fotoner som Magnus Rådmark och Mohamed Bourennane nyligen har genererat innehar denna sorts symmetri, som gör det rotationsinvariant. Detta innebär att hur mycket man än vrider och vänder på fotonerna, förutsatt att alla sex fotoner får utstå samma behandling, så kommer det totala tillståndet, det vill säga superpositionen av de sex fotonerna, inte att ändras. Denna rent kvantmekaniska egenskap gör det möjligt koda kvantinformation, så kallade kvantbitar, i en dekoherensfri miljö. Dessutom är detta specifika sex-foton-tillstånd tillräckligt stort för att möjliggöra brusfri kodning av sammanflätade tillstånd.

I figur 1 visas resultat av det invarianta kvanttillståndet från tre olika mätningar. I (a) har tillsåndet mätts utan extra störningar. I (b) och (c) har två olika typer av dubbelbrytande kristaller använts för att vrida polarisationen av varje foton. Experimenten utfördes i Fysikum, Stockholms universitet och delar av det teoretiska arbetet utfördes i samarbete med professor Marek Zukowski vid universitetet i Gdansk i Polen. En schematisk bild av den experimentella uppställningen visas i figur 2.

Den experimentella upptsällningen.
Figur 2: Den experimentella uppställningen a) Till vänster en schematisk bild, b) foto av nedkonverteringsdelen.

Möjliga tillämpningar
En relaterad fråga är den om kommunikation utan en gemensam referensram. Till exempel så skulle den riktning som pekar “upp” i Stockholm, kunna peka “ner” i Nya Zeeland, eller åt “höger”, “vänster” eller “bakåt” i Indien, det vill säga referensramarna skiljer sig åt. Det kan dessutom bli än mer komplicerat om en av de inblandade parterna kretsar runt jorden i en satellit eller sitter på månen, eller befinner sig ännu längre ut i rymden. Andra komplikationer som ger liknande besvär kan vara en fiberkommunikationskanal där polarisationen hos ljuset ständigt förändras på grund av termiska och mekaniska svängningar. Även i dessa scenarier kan dekoherens-fria tillstånd användas, eftersom de är immuna mot denna typ av brus.

En annan intressant tillämpning av de rapporterade sex-foton sammanflätade tillstånden är kvantmekanisk telekloning, som kombinerar de två protokollen för kvantteleportering och optimal kvantkloning. Genom kvantteleportering kan ett okänt kvanttillstånd, det vill säga en kvantbit, teleporteras till en avlägsen plats med hjälp av kvantsammanflätning. I kvantmekaniken kan en okänd kvantbit inte kopieras exakt, men det finns möjligheter att få en kopia med begränsad kvalitet. Med hjälp av ett av sex-foton-tillstånden kan kvanttelekloning utföras, där optimala kopior av en original-kvantbit kan frambringas vid tre olika platser.

Korrelationsfunktionen för sex-fotontillstånd.
Figur 3: Korrelationsfunktionen för sex-foton tillstånd. Visibiliteten är mätt till 84 ± 3 %

Resultaten är också av betydelse för grundläggande optik. I klassisk optik, där vi tänker oss ljus som elektromagnetiska vågor, är interferens ett användbart och intressant fenomen. Där två vågors toppar möts, adderas dem och resulterar i en hög intensitet, och där en topp och en dal möts, kan de helt släcka ut varandra, resulterande i inget ljus över huvud taget. I början av 1900-talet utvecklades begreppet fotoner (energipaket av ljus) av Planck och Einstein. Det visar sig att även när man tänker på ljus som en ström av fotoner, förväntas samma interferensmönster som i klassisk optik. Men genom att använda speciella ljuskällor och titta på samtidiga detektioner vid två singel-foton-känsliga detektorer, ändras läget drastiskt. De två detektorerna kommer nu inte att detektera några samtidiga fotoner alls, trots att varje detektor separat detekterar myriader av fotoner. Med något ändrad väglängd av en av de två ljusstrålarna, kommer dock samtidiga detektioner att hittas. Detta är en manifestation av kvantmekanisk två-foton-interferens.

Sådana fenomen observerades först på 1960-talet och i början av 2000-talet demonstrerades också tre- och fyr-foton-interferens. I figur 3 visas nya resultat av sex-foton-interferens med utomordentligt hög kontrast. Tillståndens kvalitet är markant högre än alla tidigare sex-partikel-sammanflätningar, oavsett fysikaliska system (fotoner eller joner).

Bakgrundsinformation

  • Experimental filtering of two-, four-, and six-photon singlets from a single parametric down-conversion source Magnus Rådmark, Marcin Wiesniak, Marek Zukowski och Mohamed Bourennane PHYSICAL REVIEW A 80, 040302R 2009 Utvald för publicering i Virtual Journal of Quantum Information, oktober 2009.
  • Experimental Test of Fidelity Limits in Six-Photon Interferometry and of Rotational Invariance Properties of the Photonic Six-Qubit Entanglement Singlet State Magnus Rådmark, Marek Zukowski och Mohamed Bourennane PRL 103, 150501 (2009) Utvald för publicering i Virtual Journal of Quantum Information, oktober 2009.
  • Experimental high fidelity six-photon entangled state for telecloning protocols Magnus Rådmark, Marek Zukowski och Mohamed BourennaneNew Journal of Physics 11 (October 2009) 103016 (10pp)
  • “Viewpoint” i Physics, spotlighting exceptional research: Protecting quantum superpositions from the outside world Alexander Lvovsky Physics 2, 83 (2009)
  • Best quantum messages travel in packs of six Lisa Grossman ScienceNews, November 7, 2009, sidan 11

– Magnus Rådmark (doktorand i fysik) radmark@fysik.su.se 
– Mohamed Bourennane (docent i fysik) boure@fysik.su.se

Share this post
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *