Lomittuneet fotonit keskeisenä resurssina kvanttiteknologioille

Darmstadtin teknillisen yliopiston fysiikan laitoksen sovelletun fysiikan laitoksen tutkijat ovat nyt julkaisseet kattavan katsausartikkelin niin sanotusta paikka-liikemäärä -lomittumisesta, joka tiivistää alan nykytilan ja korostaa tulevaisuuden sovellusmahdollisuuksia.

Katsaus keskittyy tiettyyn kvanttilomittumisen muotoon, joka juontaa juurensa Einsteinin, Podolskyn ja Rosenin vuonna 1935 ehdottamaan kuuluisaan EPR-paradoksiin ja kuvaa, kuinka kaksi fotonia voidaan korreloida siten, että toisen fotonin paikan tai liikemäärän mittaaminen mahdollistaa välittömästi johtopäätösten tekemisen toisesta – riippumatta niiden avaruudellisesta etäisyydestä.

Toisin kuin polarisaatiolomittuminen, joka perustuu kaksiulotteiseen Hilbertin avaruuteen, avaruudellinen lomittuminen tarjoaa pääsyn korkeaulotteisiin, jatkuviin kvanttijärjestelmiin. Tämä lisää informaatiokapasiteettia ja tekee tällaisista tiloista kestävämpiä häiriöitä vastaan.

Lomittuneitten fotoniparien syntyminen tapahtuu tyypillisesti spontaanin parametrisen alasmuunnoksen (SPDC) epälineaarisen optisen prosessin kautta: korkeaenerginen pumppausfotoni muunnetaan kahdeksi matalaenergiseksi fotoniksi – signaali- ja tyhjäkäyntifotoniksi – epälineaarisessa kiteessä.

Energian ja liikemäärän säilymislaki varmistaa ominaiset korrelaatiot syntyneiden fotonien sijainnissa ja liikemäärässä.

Professori Markus Gräfen johtama ryhmä sovelletun fysiikan instituutissa kuvaa katsauksessa, kuinka erilaisia kideparametreja, pumppauskeilaprofiileja ja vaihesovitusehtoja voidaan hyödyntää erityisesti spatiaalisen lomittumisen muokkaamiseen ja optimointiin.

Merkittävä osa työstä on omistettu mittausmenetelmille, joilla lomittuminen voidaan havaita ja kvantifioida – spatiaalisten moodien lukumäärän arvioinnista Schmidt-hajoaman avulla suoraan koinsidenssimittaukseen lähi- ja kaukokentissä käyttämällä erittäin herkkiä kameroita.

Lopuksi kirjoittajat keskustelevat erityisistä sovellusalueista: kvanttiavainten jakelusta kvanttikuvantamisen ja kvanttimetrologian kautta aina kvanttiteleportaatioon.

Yleiskatsauksessa korostetaan, että spatiaalinen lomittuminen edustaa monipuolista ja yhä paremmin hallittavaa työkalua kvanttiteknologialle.

Aiheesta aiemmin:

Lomittumisessa voi olla tuhansia topologioita

Lomittumisen vaihto fotonien välisellä summataajuuden generoinnilla