Sanatçının, yapay atomla etkileşime girdikten sonra fotonların nasıl birbirine bağlandığına dair izlenimi. Kredi: Basel Üniversitesi
Fotonik bağlı durumlar tıbbi görüntüleme ve kuantum hesaplamayı ilerletebilir.
İsviçre’deki Sidney Üniversitesi ve Basel Üniversitesi’ndeki bilim adamları ilk kez yüksek korelasyonla az sayıda etkileşen fotonları (ışık enerjisi paketleri) manipüle etme ve tanımlama becerisini gösterdiler.
Bu benzeri görülmemiş başarı, kuantum teknolojilerinin geliştirilmesinde önemli bir dönüm noktasını temsil ediyor. Araştırmanın ayrıntıları 20 Mart’ta Nature Physics dergisinde yayınlandı.
Einstein tarafından 1916’da öne sürülen uyarılmış ışık emisyonu, çok sayıda foton için yaygın olarak gözlemlenir ve lazerin icadının temelini oluşturur. Bu araştırmayla, artık tek fotonlar için uyarılmış emisyon gözlemlendi.
Bilim adamları özellikle, bir foton ile tek bir kuantum noktasından saçılan bir çift bağlı foton arasındaki doğrudan zaman gecikmesini ölçebildiler; atom yarattı.
Sydney Üniversitesi Fizik Okulu’ndan Dr. Sahand Mahmoodian ve araştırmanın ortak baş yazarı, “Bu, ‘kuantum ışığı’ diyebileceğimiz şeyin manipülasyonuna kapı açıyor,” dedi.{ 4}
Dr. Mahmoodian şunları söyledi: “Bu temel bilim, kuantumla geliştirilmiş ölçüm teknikleri ve fotonik kuantum hesaplamadaki ilerlemelerin yolunu açıyor.”
Ortak baş yazar Dr. Sahand Mahmoodian, Fizik Okulu’ndan Sidney Üniversitesi. Kredi: Sidney Üniversitesi
Bir asırdan daha uzun bir süre önce ışığın madde ile nasıl etkileştiğini gözlemleyen bilim adamları, ışığın bir parçacık demeti ya da enerji dalga modeli olmadığını, ancak her iki özelliği de sergilediğini keşfettiler: dalga-parçacık ikiliği olarak bilinir.
Işığın madde ile etkileşme biçimi, hem teorik güzelliği hem de güçlü pratik uygulaması nedeniyle bilim adamlarını ve insanın hayal gücünü büyülemeye devam ediyor.
Ne kadar hafif olursa olsun. Yıldızlararası ortamın uçsuz bucaksız boşluklarını katetmek veya lazerin gelişimi, ışık araştırmaları, önemli pratik kullanımları olan hayati bir bilimdir. Bu teorik temeller olmadan, neredeyse tüm modern teknolojiler imkansız olurdu. Cep telefonu yok, küresel iletişim ağı yok, bilgisayar yok, GPS yok, modern tıbbi görüntüleme yok.
Ortak baş yazar Dr. Natasha Tomm, Basel Üniversitesi Nano-Fotonik Grubundan . Kredi: Basel Üniversitesi
İletişimde -optik lifler aracılığıyla- ışık kullanmanın bir avantajı, ışık enerjisi paketlerinin, yani fotonların, birbirleriyle kolaylıkla etkileşmemesidir. Bu, ışık hızında bilgilerin neredeyse bozulmadan aktarılmasını sağlar.
Bununla birlikte, bazen ışığın etkileşmesini isteriz. Ve burada işler zorlaşıyor.
Örneğin, interferometre adı verilen aletler kullanılarak mesafedeki küçük değişiklikleri ölçmek için ışık kullanılır. Bu ölçüm araçları, ister gelişmiş tıbbi görüntülemede, ister süt üzerinde kalite kontrolü yapmak gibi önemli ama belki de daha sıradan görevler için veya ilk olarak 2015’te yerçekimi dalgalarını ölçen LIGO gibi gelişmiş araçlar biçiminde olsun, artık sıradan hale geldi.{4 }
Kuantum mekaniği yasaları, bu tür cihazların hassasiyetine ilişkin sınırlar koyar.
Bu sınır, bir ölçümün ne kadar hassas olabileceği ile ölçüm cihazındaki ortalama foton sayısı arasında belirlenir. Klasik lazer ışığı için bu, kuantum ışığından farklıdır.
Basel Üniversitesi’nden ortak baş yazar Dr. Natasha Tomm şunları söyledi: “Yaptığımız cihaz, fotonlar arasında o kadar güçlü etkileşimlere neden oldu ki, bunu yapabildik. iki fotona kıyasla onunla etkileşime giren bir foton arasındaki farkı gözlemleyin.
“Bir fotonun iki fotona kıyasla daha uzun süre geciktiğini gözlemledik. Bu gerçekten güçlü foton-foton etkileşimi ile iki foton, iki fotonlu bağlı durum adı verilen bir biçimde dolaşık hale gelir.”
Bunun gibi kuantum ışığın bir avantajı vardır; prensip olarak, daha az foton kullanarak daha iyi çözünürlükle daha hassas ölçümler yapın. Bu, büyük ışık yoğunluklarının örneklere zarar verebileceği ve gözlemlenecek özelliklerin özellikle küçük olduğu biyolojik mikroskopi uygulamaları için önemli olabilir.
“Fotona bağlı durumları tanımlayıp manipüle edebildiğimizi göstererek, pratik kullanım için kuantum ışığından yararlanmaya yönelik hayati bir ilk adım,” dedi Dr. PsiQuantum ve Xanadu gibi milyonlarca dolarlık şirketler tarafından takip edilen, toleranslı kuantum hesaplama.”
Dr. Tomm şöyle dedi: “Bu deney, yalnızca temel bir etkiyi – uyarılmış emisyonu – nihai sınırında doğruladığı için değil, aynı zamanda gelişmiş uygulamalara yönelik büyük bir teknolojik adımı temsil ettiği için güzel.
“Aynısını biz de uygulayabiliriz. bize fotona bağlı durumlar veren daha verimli cihazlar geliştirme ilkeleri. Bu, çok çeşitli alanlardaki uygulamalar için umut vericidir: biyolojiden gelişmiş üretime ve kuantum bilgi işlemeye.”
Referans: “Tek bir yapay atomdan foton bağlı durum dinamikleri”, Natasha Tomm, Sahand Mahmoodian, Nadia O. Antoniadis, Rüdiger Schott, Sascha R. Valentin, Andreas D. Wieck, Arne Ludwig, Alisa Javadi ve Richard J. Warburton, 20 Mart 2023, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-023- 01997-6
Araştırma, Basel Üniversitesi, Leibniz Üniversitesi Hannover, Sidney Üniversitesi ve Ruhr Üniversitesi Bochum arasındaki bir işbirliğiydi.
Baş yazarlar Dr. Natasha Basel Üniversitesi’nden Tomm ve Avustralya Araştırma Konseyi Geleceğin Üyesi ve Kıdemli Öğretim Üyesi olduğu Sidney Üniversitesi’nden Dr. Sahand Mahmoodian.
Yapay atomlar (kuantum noktaları) Bochum’da üretildi ve Basel Üniversitesi’ndeki Nano-Fotonik Grubunda gerçekleştirilen deneyler. Keşfin teorik çalışması Sidney Üniversitesi’nde ve Leibniz Üniversitesi Hannover’de Dr. Mahmoodian tarafından gerçekleştirildi.
Finansman: Swiss National Science Foundation, Australian Research Council, European Union Horizon 2020 Research, German Research Foundation, German Eğitim ve Araştırma Bakanlığı