Επιστήμονες ανακάλυψαν πώς να διακρίνουν τις δέσμες των εμπλεγμένων φωτονίων.
Μια ομάδα από την Σχολή Φυσικής του MSU, έχει αναπτύξει μια μέθοδο για τη δημιουργία δύο δεσμών εμπλεγμένων φωτονίων για να μετρήσει την καθυστέρηση μεταξύ τους. Στο μέλλον τα αποτελέσματα της μελέτης μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μετρήσεις υψηλής ακρίβειας, σε μελέτες υλικών και σε πληροφοριακές τεχνολογίες. Η παρούσα μελέτη δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Optics Letters.
Ο David Nikolaevich Klyshko, ο οποίος ήταν καθηγητής της Quantum Electronics στο MSU, ανακάλυψε την αυθόρμητη παραμετρική μετατροπή το 1966 και αργότερα του απονεμήθηκε το Κρατικό Βραβείο μαζί με τους συναδέλφους του, για αυτό το σημαντικό επίτευγμα. Αυτή η ανακάλυψη σηματοδότησε την αρχή της κβαντικής οπτικής, ενός δημοφιλούς τομέα στη φυσική που περιλαμβάνει τις κβαντικές ιδιότητες του φωτός. Το αποτέλεσμα είναι αρκετά απλό: Ένα φωτόνιο που εισέρχεται σε έναν κρύσταλλο χωρίζεται σε δύο φωτόνια με το άθροισμα των συχνοτήτων τους να ισούται με τη συχνότητα του αρχικού φωτονίου. Το αξιοσημείωτο είναι ότι αυτή η διαδικασία μπορεί να παρατηρηθεί μόνο σε μη γραμμικούς κρυστάλλους στους οποίους η συχνότητα των φωτονίων μπορεί να μεταβληθεί κατά τη διάρκεια της σκέδασης.
Το αποτέλεσμα έχει παρατηρηθεί και αναλυθεί σε πολλές μελέτες, όπου έχει πρακτικές εφαρμογές σε πεδία όπως η κβαντική κρυπτογραφία, οι κβαντικοί υπολογισμοί και η κβαντική τηλεμεταφορά. Αν μετρηθεί η πόλωση ενός φωτονίου, αλλάζει και η κβαντική κατάσταση πόλωσης του δεύτερου. Οποιεσδήποτε αλλαγές στο πρώτο φωτόνιο εμφανίζονται αμέσως στο δεύτερο. Ωστόσο, αυτό το αποτέλεσμα δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανταλλαγή πληροφοριών.
Σε ένα πρόσφατο πείραμα, οι επιστήμονες με έδρα το MSU, υπό την καθοδήγηση της κορυφαίας ερευνητικής συνεργάτριας Maria Chekhova , προσπάθησαν να δημιουργήσουν ισχυρές δέσμες εμπλεγμένων φωτονίων. «Σε αυτή την περίπτωση, ο συσχετισμός δεν είναι μεταξύ μεμονωμένων φωτονίων, αλλά ολόκληρων των ακτίνων, και το ερώτημα είναι ποια είναι η ακρίβεια αυτής της συσχέτισης;» ανέφερε ο Pavel Prudkovskii, συν-συγγραφέας του έργου. «Αν επιβραδύνουμε μια δέσμη προς τα κάτω σε οποιοδήποτε χρονικό σημείο θα παρατηρούμε τον αποσυγχρονισμό»
Για να απαντήσουν σε αυτές τις ερωτήσεις, οι επιστήμονες έπρεπε να δημιουργήσουν φωτόνια με διαφορετικές συχνότητες για να σχηματίσουν δύο παράλληλες δέσμες φωτός. Για να ληφθεί αυτό το αποτέλεσμα, οι κρύσταλλοι νιοβικού λιθίου που χρησιμοποιούνται συχνά σε τέτοια πειράματα έπρεπε να αναπτυχθούν με μια συγκεκριμένη δομή και με ένα προ-υπολογισμένο επιπλέον πλέγμα μη περιοδικού πεδίου.
Κατά τη διάρκεια του πειράματος, οι επιστήμονες κατόρθωσαν να σταματήσουν για λίγο μια από τις δύο δέσμες των εμπλεγμένων φωτονίων με γνώμονα να καταφέρουν να τα συγχρονίσουν κατά τη διάρκεια της διαδρομής. Στη συνέχεια, και οι δύο δέσμες έφτασαν στον δεύτερο κρύσταλλο – το συνηθισμένο το νιοβικό του λιθίου (lithium niobate). «Σε αυτό το κρύσταλλο, συνέβη η συσσώρευση των συχνοτήτων. Δηλαδή αν οι ακτίνες καταφέρουν να συγχρονιστούν, τότε γίνεται πιο αποτελεσματική από ό, τι σε άλλες περιπτώσεις», δήλωσε ο Prudkovskii. «Ως αποτέλεσμα, έχουμε μια στενή κορυφή στο συνοπτικό σήμα της συχνότητας. Το πλάτος του είναι 90 femtoseconds (10 -15 sec), και πρακτικά αυτό είναι το κύριο επίτευγμα μας».
Έτσι, οι επιστήμονες κατάφεραν να καταγράψουν πειραματικά τη μικρότερη πιθανή μετατόπιση μεταξύ δίδυμων ακτίνων εμπλεγμένων φωτονίων που μπορεί να παρατηρηθούν από συσκευές μέτρησης. Σύμφωνα με την ομάδα, είναι δυνατό να μειωθεί περαιτέρω αυτή η τιμή, αλλά για να γίνει αυτό, η διαδικασία του πειράματος θα γίνει πιο περίπλοκη. Αυτή τη στιγμή, τα 90 femtoseconds είναι μια τιμή ρεκόρ, αλλά μπορεί να μειωθεί ακόμη περισσότερο, και μάλιστα ξέρουμε πώς», εξήγησε ο Prudkovskii.
Τα αποτελέσματα της μελέτης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη κρυπτογραφημένων καναλιών επικοινωνίας για την προστασία από υποκλοπέςς. Εάν ένας εγκληματίας προσπαθήσει να παραλάβει μια δέσμη εμπλεγμένων φωτονίων , θα πρέπει να τα σταματήσει για μια χρονική περίοδο όμως η καθυστέρηση θα παρατηρηθεί. Επιπλέον, η καταγραφή μιας καθυστέρησης σε δύο κβαντικές δέσμες μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση μικρών προσμίξεων σε ουσίες.
