Négy hely között megosztott foton összefonódását mutatták ki a határozatlansági reláció segítségével

A California Institute of Technology (Caltech) tudósai hatékony módszert fejlesztettek ki egyidejűleg négy különböző pálya mentén haladó fénysugár összefonódásának meghatározására. Eredményüket meglepően kisszámú méréssel érték el.

H. Jeff Kimble, a Caltech fizikaprofesszora és munkatársai először igazolták, hogy a fény összefonódott állapotainak azonosítására a kvantumelmélet bizonytalansági relációja jól használható. Kísérletükben kvantum-összefonódást (entanglement) valósítottak meg. Ez két vagy több részecske állapotának olyan csatolását jelenti, amelyben a rendszer kvantumállapota nem adható meg részeinek kvantumállapotával. Ebben az állapotban az összetett rendszer részei sokkal erősebb kapcsolatban vannak egymással, mint az bármely klasszikus rendszerben lehetséges. Az összefonódást nem korlátozza a távolság, az ilyen állapotban levő részecskék tetszőlegesen messze lehetnek egymástól. Ez az állapot tud olyan is lenni, hogy az egyik részecskére vonatkozó mérés a rendszer többi részét összefonódott állapotban hagyja. Ez utóbbinak W-állapot a neve, és fontos szerepet játszik a kvantuminformáció elméletében. A sokrészecskés W-állapotok alkalmazása szempontjából fontos, hogy összefonódásaikat észlelni és jellemezni lehessen. A feladatot nehezíti, hogy a W-állapottal leírható összefonódások nemcsak az egyes részecskék között jelentkeznek, hanem a részecskehalmaz részhalmazai között is.

A Caltech kísérletben a kutatók egyetlen fotont - az elektromágneses sugárzás elemi egységét - tartalmazó fényjelet hoztak létre. Hogy az ilyen egyfotonos nyalábnak a hullám- vagy a részecske tulajdonságai kerülnek-e előtérbe az attól függ, hogy a mérés során mire kiváncsiak a kutatók. Ha a fény több pálya között is választhat, de a kísérletezők nem tudják, hogy melyik pályán van a részecske, akkor azt mondják, hogy felhasították a fotont. Ami ekkor történik, annak nincs megfelelője a makrovilágban: a foton egyszerre több pályán is jelen van, azaz a fotonhoz tartozó kvantumamplitúdók egyidőben négy különböző pályán haladnak. [A kvantumamplitúdó, más szóval a valószínűségi amplitúdó egy nem mérhető mennyiség, az értéke általában komplex számmal fejezhető ki. Jele, a görög pszi betű a kvantummechanika egyfajta jelképévé vált. Egy részecske 'pszi' kvantumamplitúdója a helynek a függvénye, a részecskét leíró fizikai tulajdonságok (mint a tartózkodási valószínűség, impulzus, energia, sőt az e cikkben szereplő összefonódottság is) mind kiszámíthatók belőle.]

A University of Oregon-on dolgozó Steven van Enk és Pavel Luogovski fejlesztettek ki új módszert a sokrészecskés W-állapotokkal jellemezhető összefonódás kimutatásához. Megközelítésük a Heisenberg-féle bizonytalansági elven alapul, mely egy korlátot ad meg arra, hogy egy részecske helye és impulzusa milyen pontossággal ismerhető egyidejűleg. A módszer négy eltérő pályán haladó foton nemlokális mérését használja. Ezek olyan mérések, amelyek jelzik, hogy a foton jelen van, de nem adnak információt arról, hogy melyik pályán.

"Eleinte a fizikusok két részecske összefonódását, azaz a "kétrétű" összefonódást vizsgálták, és ezért a két részecskéből összetett rendszerek összefonódásainak kimutatási és osztályozási technikája ma már jól ismert. - mondja Scott Papp, aki posztdoktori ösztöndíjas, és a cikk egyik szerzője - Nem végeztek azonban még kísérletet többrészecskés állapotokra. Mióta több mint két részecskét vesznek figyelembe, az összefonódások osztályozása sokkal gazdagabb, de kimutatásuk rendkívüli kihívást jelent."

"Az ezekkel a mérésekkel kapcsolatos kvantumbizonytalanság lehetővé teszi az egyetlen foton által használt négy pálya közötti korreláció becslését, méghozzá úgy, hogy összehasonlítjuk bármely kisebb összefonódott állapot minimális lehetséges bizonytalanságával." - mondja Kyung Soo Choi, aki Caltech végzős hallgató és a cikk egyik szerzője.

A pályák egy bizonyos értéknél erősebb korrelációja az összes pálya közötti összefonódottságot jelenti, míg részlegesen összefonódott W-állapotok esetében a korreláció gyengébb. Ennek az elvnek a felhasználásával elérhető, hogy viszonylag kevés számú mérést kell végezni.

Alapszerkezetüknek megfelelően az összefonódott W-állapotok még bizonyos zajforrások jelenlétében is megmaradnak. Ez fontos jellemzője a W-állapotok zajos környezetben történő alkalmazásának. A Caltech kísérletek az összefonódott állapotok korrelációjának zavarásával közvetlenül ellenőrizték ezt a tulajdonságot. Amikor a korrelációt szándékosan gyengítették, csökkent az optikai rendszer összefonódott pályáinak a száma. Ahogy a W-állapotok szerkezete előrejelezte, a pályák alrendszerében megmarad az összefonódottság.

"Munkánk egy új protokollt vezet be az egyszeres fotonnal való összefonódottság egy fontos osztályának kimutatásához - magyarázza Papp. "Ennek köszönhetően még hatékonyabbak leszünk a fény és az anyag kvantumállapotainak laboratóriumi kezelésében és vizsgálatában."

A kutatók következő terve a technikájuk alkalmazása az atomok összefonódott állapotára. Ezek a törekvések a Caltech Quantum Optics Group korábbi eredményeire építenek, beleértve a fotonikus összefonódások leképezését egy kvantum-memóriából vagy kvantum-memóriába, és az összefonódások széttagolását egy kvantumhálózat csomópontjai között.

A több mint két részből álló rendszerekben jelentkező összefonódás vagy a többrészecskés összefonódás kritikus eszköz az olyan kvantuminformációs alkalmazásokhoz, mint a kvantum-metrológia, -számítás és -kommunikáció. A kvantumállapotok helyről helyre történő teleportálása az összefonódás felhasználásával a jövőbeni "kvantuminternet" alapja lehet.

Posztobányi Kálmán