חוקרים בהודו הראו שהסתבכות פוטונים בבסיס רציף-משתנה מסוים מחייה את עצמה כשהפוטונים מתפשטים הרחק ממקורם. התגלית עשויה להיות שימושית להעברת מידע קוונטי בצורה מאובטחת למרחקים ארוכים ולהדמיה קוונטית במדיה סוערת.
הסתבכות קוונטית בין פוטונים נחקרת בהרחבה על ידי פיזיקאים, לעתים קרובות כדי לפתח טכנולוגיות קוונטיות חדשות למחשוב, תקשורת, חישה והדמיה. יישומים פוטנציאליים מסוימים דורשים שליחת פוטונים סבוכים למרחקים ארוכים או דרך סביבות סוערות ללא אובדן. עם זאת, כיום קשה מאוד לשמר סוגים מסוימים של הסתבכות בנסיבות אלה - וההצלחה יכולה להיות תלויה בגורמים רבים, כולל האופן שבו המידע הקוונטי מקודד בפוטונים.
עַכשָׁיו אנאנד ג'ה ועמיתים במשרד מעבדת אופטיקה קוונטית והסתבכות במכון הטכנולוגי ההודי Kanpur סיפקו פתרון אפשרי על ידי שימוש במיקומים הזוויתיים של פוטונים כדי לקודד מידע. הם הבחינו שנראה שההסתבכות נעלמת כשהפוטונים מתפשטים, אבל אז באופן מוזר מופיעה שוב. הם גם הראו שהחייאת ההסתבכות מתרחשת גם לאחר שהפוטונים נעים באוויר סוער, שבדרך כלל ישמיד את ההסתבכות. הם מתארים את המחקר שלהם ב התקדמות מדע.
הסתבכות פוטון
לפוטונים יש דרגות רבות ושונות של חופש שניתן להשתמש בהן כדי לקודד מידע קוונטי. הבחירה תלויה בסוג המידע שיש לקודד. עבור קיוביטים, ניתן להשתמש במאפיינים בדידים כגון הקיטוב או התנע הזוויתי המסלולי של פוטון. אבל לפעמים, במיוחד למטרות חישה והדמיה, עדיף לקודד מידע קוונטי בצורה רציפה יותר. ביישומים כאלה, התכונה המסובכת הנחקרה ביותר - או "בסיס" - היא מיקומו של פוטון שניתן על ידי הקואורדינטות הקרטזיות שלו.
תופעת ההסתבכות הקוונטית מעניקה לחלקיקים קשר קרוב יותר ממה שמתיר הפיזיקה הקלאסית ואינה תלויה באיזה בסיס מסוים משמש לקידוד מידע קוונטי. עם זאת, ייתכן שהאופן שבו נעשה שימוש או מדידת הסתבכות בניסוי אינו תלוי בבסיס. זה חל על "עד" הסתבכות, שהיא גודל מתמטי שקובע אם מערכת מסובכת. עדים תלויים בבסיס לבסיסים מתמשכים ותלות זו פירושה שסוגים מסוימים של הסתבכות מתמשכת יכולים להיות שימושיים יותר מאחרים.
עבור בסיס המיקום-מומנטום, ההסתבכות, כפי שהיא נראית דרך העד, גוועת מהר מאוד כשהפוטונים מתפשטים הרחק ממקורם. כדי לעקוף את זה, מדענים בדרך כלל מדמים את המקור עצמו כדי להשתמש בהסתבכות בין פוטונים. כל מערבולת בנתיב גם הורסת במהירות את ההסתבכות, ודורשת פתרונות מורכבים כמו אופטיקה אדפטיבית כדי להחיות אותו. צעדי תיקון נוספים אלה מגבילים את התועלת של הפוטונים הסבוכים הללו.
מחקר אחרון זה של Jha ועמיתיו בוחן כיצד ניתן לשמר הסתבכות על ידי שימוש בבסיס חלופי קשור - המיקום הזוויתי של פוטון.
ליצור, לאבד ולהחיות הסתבכות
בניסוי שלהם, החוקרים יצרו פוטונים מסתבכים על ידי שליחת אור מלייזר "משאבה" בעל הספק גבוה לתוך גביש לא ליניארי. בתנאים שבהם האנרגיות והמומנטים של הפוטונים נשמרים, פוטון משאבה אחד יפיק שני פוטונים מסובכים בתהליך הנקרא המרת מטה פרמטרית ספונטנית (SPDC). שני הפוטונים מסתבכים בכל תכונותיהם. אם פוטון מזוהה במיקום אחד, למשל, מיקומו של הפוטון המסובך האחר נקבע אוטומטית. המתאם קיים גם עבור כמויות אחרות, כגון תנע, מיקום זוויתי ותנע זוויתי מסלולי.
כפי שנראה דרך העד ללא כל אמצעי תיקון, החוקרים הבחינו כי הסתבכות מיקום בין פוטונים נעלמת לאחר כ-4 ס"מ של התפשטות. מצד שני, משהו מעניין קורה להסתבכות במיקום זוויתי. הוא נעלם לאחר כ-5 ס"מ של התפשטות, אך לאחר שהפוטונים עברו עוד 20 ס"מ, שוב מופיעה הסתבכות (ראה איור). החוקרים אישרו את תוצאות הניסוי שלהם בצורה איכותית עם מודל מספרי.
שיטת הזיקוק מחזקת הסתבכות קוונטית בזוג בודד של פוטונים
אותה מגמה נצפתה כאשר הצוות יצר סביבה סוערת בנתיב הפוטונים המסובכים. זה נעשה באמצעות מחמם מכה כדי לעורר את האוויר ולשנות את מקדם השבירה שלו. במקרה זה, ההסתבכות קמה לתחייה לאחר שהאור התפשט למרחק ארוך יותר של כ-45 ס"מ.
עדיין לא ידוע לגמרי מה גורם להסתבכות בבסיס המיקום הזוויתי להופיע מחדש. הבסיס מיוחד כי הוא עוטף אחרי מעגל שלם. זה אחד הגורמים המייחדים אותה, לדברי ג'ה.
למרות שהמחקר מדגים חוסן לאורך מרחקים של פחות ממטר, Jha ועמיתיו טוענים שהתחייה אפשרית גם למרחקי קילומטרים. זה יכול לאפשר להעביר מידע קוונטי דרך מערבולות אטמוספריות מבלי להרוס הסתבכות. איתנות באמצעות מערבולות יכולה גם לאפשר הדמיה קוונטית של עצמים בסביבות ביוכימיות מטושטשות עם פלישה או הרס מינימליים.
