Kvanttitutkalle uutta ulottuvuutta

Tieteilijät toivovat valjastavansa valon kvanttiominaisuuksia ylittääkseen klassiset resoluutiorajat kuvattaessa esineitä etänä kvanttitunnistuksella.

Nyt Los Alamos National Laboratoryn tutkijaryhmä on ehdottanut tekniikkaa, joka voisi pidentää tämän tekniikan hyödyllisiä etäisyyksiä kymmenistä metreistä satoihin kilometreihin.

Suunnittelussa käytettäisiin outoa kvanttiefektiä: valon kykyä saada informaatiota kohteesta, vaikka se ei olisi koskaan ollut vuorovaikutuksessa kohteen kanssa. Tutkijat toivovat saavansa ideansa demonstroitua lähivuosina.

Periaatteessa kvanttitutka voisi tuottaa kuvia, joiden resoluutio ja herkkyys ylittävät klassisen fysiikan mahdollisuudet, sanoo Diego Dalvit.

Yksinkertaisimmassa mallissa kvanttimekaanisesti lomittuneen parin yksi fotoni voidaan lähettää vuorovaikutukseen kohteen kanssa, ja sitten sitä verrataan sen kaksoiskappaleeseen, joka oli tallennettu matkan aikana.

Tämä lähestymistapa toimii kuitenkin vain muutamalla kymmenellä metrillä, koska se perustuu yksittäisiin fotoneihin, josta suurin osa absorboituisi ilmaan ennen kuin ne pääsisivät kaukaiseen kohteeseen. Toinen haaste on käytännöllisyys tallentaa toinen fotoneista tavalla, joka säilyttää sen kvanttikoherenssin, etenkin pidempiä aikoja.

Kvanttitutkan toimintaetäisyyden pidentämiseksi Dalvit ja kollegat ehdottavat vaihtoehtoa, joka korvaa fotoniparit monifotonisen lomittuneiden tilojen parilla - puristetut tilat -, jotka voivat selvitä pitkiä matkoja ilmassa.

Heidän lähestymistapansa hyödyntää myös vaikutusta, joka osoitettiin ensimmäisen kerran 1990-luvun alussa. Zou-Wang-Mandel-ilmiössä jatkuva sarja lomittuneita fotonipareja, jotka on erotettu kahdeksi säteeksi, lähetetään interferometrin läpi, joka sisältää kaksi erillistä reittiä.

Primäärisäteen fotonit ohittavat kiinnostavan kohteen ja ovat vuorovaikutuksessa sen kanssa. Interferometri muodostaa kuitenkin interferenssikuvion ilmaisimessa käyttämällä vain toissijaisessa säteessä kulkevia fotoneja, jotka sisältävät fotoneja, jotka eivät koskaan kohtaa kohdetta. Tästä huolimatta tämä interferenssikuvio tuottaa kuvan kohteesta, lomittumisen ansiosta.

Dalvitin ja kollegoiden suunnittelussa hyödynnetään myös toista viimeaikaista edistystä kvanttitekniikassa. He suunnittelevat käyttävänsä taajuuskamman tarkasti ajoitettujen optisten pulssien jaksollista sarjaa. Jos nämä pulssit lähetetään samantyyppiseen epälineaariseen kiteeseen, joka voi muuntaa yksittäisen fotonin lomittuneeksi pariksi, ulostulona on lomittuneiden taajuuskampojen pari.

Taajuuskampojen vahva koherenssi mahdollistaa, ettei fotoneja tarvitse varastoida lähteeseen. "Yhdessä kammassa oleva pulssi on aina samassa vaiheessa minkä tahansa muun saman kamman pulssin ja minkä tahansa muun kaksoiskampaan kuuluvan pulssin kanssa", Dalvit sanoo.

Heidän kvanttitutkamallissaan yhden kamman palaava pulssi, joka on heijastunut kohteesta, voidaan yhdistää toisen kamman uuteen pulssiin. Joten kuva voidaan luoda käyttämällä vain sen kamman pulsseja, jotka eivät koskaan ole vuorovaikutuksessa kohteen kanssa. Tallennustilaa ei tarvita, koska "koko kampa tallentaa informaation", Dalvit selventää.

Dalvit ja kollegat toivovat voivansa lähitulevaisuudessa suorittaa periaatekokeita. Kun otetaan huomioon taajuuskampojen saavutettavissa olevat koherenssiajat – jopa 2000 sekuntia – he odottavat saavuttavansa kvanttitunnistuksen satojen kilometrien etäisyyksillä.

Ja vaikka otetaan huomioon ilmakehän turbulenssin ja muiden vaikutusten aiheuttamat häiriöt, he odottavat saavuttavansa kuvantamisen tarkkuuden, joka on huomattavasti suurempi kuin klassisilla antureilla saavutettavissa oleva tarkkuus.

Aiheesta aiemmin:

Tutka tehostuu kvanttisesti ja interferenssillä

Uudenlaisen kvanttitutkan prototyyppi