Kwantum-‘yin-yangfotonen’ in real-time vastgelegd
Onderzoekers zijn erin geslaagd om verstrengelde fotonen in recordtijd zichtbaar te maken – normaal duurt dat dagenlang.
Al zijn de kwantummechanica en -fysica meer dan 100 jaar oud, er is nog steeds veel dat we niet begrijpen over deze microscopische wereld.
De afgelopen jaren heeft nieuwe technologie een ... tja, een kwantumsprong gemaakt, waardoor we deeltjes van dichtbij kunnen bestuderen en gebruiken in moderne technologie zoals kwantumcomputers.
Een exotisch gebied van de kwantumfysica is de kwantumverstrengeling, die natuurkundigen graag tot in detail zouden willen begrijpen, maar die moeilijk waar te nemen kan zijn.
Onderzoekers van de Universiteit van Ottawa in Canada en de Universiteit Sapienza Rome in Italië hebben een nieuwe techniek ontwikkeld waarmee deze verstrengeling in recordtijd zichtbaar kan worden gemaakt.
Met de methode ‘bifoton digitale holografie’ beschrijven ze in een artikel in het tijdschrift Nature Photonics hoe ze in realtime een yin-yangachtig beeld van twee verstrengelde lichtdeeltjes hebben gemaakt.
Kwantumverstrengeling moeilijk vast te leggen
Kwantumverstrengeling is een verbinding tussen twee gelijksoortige deeltjes, zelfs als de afstand ertussen groot is.
Hierdoor kunnen bijvoorbeeld twee lichtdeeltjes of fotonen over enorme afstanden met elkaar zijn verbonden, dus wanneer er een verandering optreedt in het ene deeltje, treedt er een soortgelijke verandering op in het andere deeltje.
Om te voorspellen hoe kwantumobjecten zoals fotonen zich gedragen, moeten natuurkundigen de golffunctie van het object bepalen.
Deze golffunctie is een beschrijving van de toestand van het deeltje, dat op kwantumniveau in superpositie bestaat. Dit betekent dat het deeltje zich in alle fysische toestanden tegelijk kan bevinden.
Door gebruik te maken van een digitale holografische methode met twee fotonen om kwantumverstrengeling tussen twee lichtdeeltjes te meten, konden onderzoekers dit yin-yangachtige beeld van verstrengeling reconstrueren.
Het bepalen van de golffunctie van twee verstrengelde deeltjes is een hele klus, want elke meting van het ene deeltje leidt meteen tot een verandering van het andere deeltje.
Met de methode van de kwantumtomografie maken onderzoekers daarom driedimensionale reconstructies van deeltjes door middel van metingen.
Daartoe moeten de natuurkundigen veel metingen doen aan de kwantumtoestand van de deeltjes, en hoe complexer de toestand, hoe meer metingen. Van daaruit kunnen ze dan een 3D-object van de verstrengeling reconstrueren op basis van projecties.
In een persbericht vergelijken de onderzoekers het met het nabootsen van een 3D-object aan de hand van de 2D-schaduwen van het object op de muur.
De methode levert nauwkeurige resultaten op, maar creëert ook veel resultaten die fysiek niet mogelijk zijn en daarom weggefilterd moeten worden om een nauwkeurig beeld te krijgen, een proces dat dagen kan duren.
Yin-yangverstrengeling
En tot slot zijn we aangekomen bij de nieuwe digitale holografietechniek met twee fotonen. Hologrammen zijn 2D-visualisaties van 3D-objecten.
Optische hologrammen gebruiken dus twee lichtstralen om een 3D-beeld te creëren. Eén bundel valt op het object, dat de bundel reflecteert. De andere bundel schijnt met ultrahoge precisie op een camera.
Het hologram wordt gevormd door lichtinterferentie, een patroon waarbij de pieken en dalen van de twee lichtgolven in elkaar overgaan of elkaar opheffen.
Met behulp van deze methode en een camera die tot op de nanoseconde nauwkeurig is, konden de onderzoekers het interferentiepatroon scheiden door de onbekende kwantumtoestand af te zetten tegen een bekende toestand, waardoor de yin-yangachtige reconstructie van de twee verstrengelde fotonen zichtbaar werd.
‘Deze methode is exponentieel sneller dan eerdere technieken en vereist slechts minuten of seconden in plaats van dagen,’ zei Alessio D’Errico van het onderzoeksteam en postdoc aan de Universiteit van Ottawa in het persbericht.
Kwantumverstrengeling is een van de fundamenten van kwantumcomputers. Een beter begrip van verstrengeling kan leiden tot stabielere kwantumcomputers.
De onderzoekers schrijven in hun artikel dat de yin-yangvorm bij toeval is ontstaan door de hoek van de optische lichtstralen. In de Chinese filosofie symboliseren yin en yang tegengestelden die met elkaar verbonden zijn, zoals licht en duisternis, dag en nacht.