27 Afmetingen! Natuurkundigen Zie Fotonen In Nieuw Licht

{h1}

Wetenschappers hebben kwantumtoestanden, zoals het momentum, van fotonen direct gemeten, waardoor ze de weg banen naar het bouwen van kwantumcomputers.

Kwantumcomputers en communicatie beloven krachtigere machines en onbreekbare codes. Maar om ze te laten werken, is het nodig om de kwantumtoestand van deeltjes zoals fotonen of atomen te meten. Kwantumtoestanden zijn getallen die eigenschappen van deeltjes zoals momentum of energie beschrijven.

Maar het meten van kwantumtoestanden is moeilijk en tijdrovend, omdat juist het veranderen ervan verandert, en omdat de wiskunde complex kan zijn. Nu zegt een internationaal team dat ze een efficiëntere manier hebben gevonden om het te doen, waardoor het eenvoudiger zou kunnen worden om kwantummechanische technologieën te bouwen.

In een studie die werd beschreven in het 20 januari nummer van het tijdschrift Nature Communications, namen onderzoekers van de Universiteit van Rochester en de Universiteit van Glasgow een directe meting van de 27-dimensionale kwantumtoestand van een foton. Deze dimensies zijn wiskundig, geen dimensies in de ruimte en elk is een getal dat informatie opslaat. Om een ​​27-dimensionale kwantumtoestand te begrijpen, moet je denken aan een regel die in twee dimensies wordt beschreven. Een lijn zou een richting in de X- en Y-coördinaten hebben - bijvoorbeeld 3 inches links en 4 inches hoger. De kwantumtoestand heeft 27 van dergelijke coördinaten. [Kwantumfysica: de coolste kleine deeltjes in de natuur]

"We hebben gekozen voor 27, ongeveer om 26 letters in het alfabet te benadrukken en er nog één in te gooien," zei Mehul Malik, nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Wenen. Dat betekent dat elke quantumbit of 'qubit' een letter kan opslaan in plaats van een eenvoudige 1 of 0.

Een foton zien

De groep, geleid door Malik en Robert Boyd, hoogleraar optica en fysica aan de universiteit van Rochester, kon de toestanden van een foton direct zien. Ze maten het orbitale impulsmoment van het foton, dat is hoeveel de deeltjes van het licht "draaien" terwijl ze door de ruimte reizen.

Gewoonlijk vereist het vinden van de kwantumtoestand van een foton een tweestapsproces. Ten eerste moeten wetenschappers sommige eigenschappen van het foton meten, zoals de polarisatie of het momentum. De metingen worden uitgevoerd op vele kopieën van de kwantumtoestand van een foton. Maar dat proces introduceert soms fouten. Om van de fouten af ​​te komen, moeten de wetenschappers kijken naar de resultaten die ze hebben gekregen die "niet-toegestane" toestanden zijn - degenen die de wetten van de natuurkunde niet volgen. Maar de enige manier om ze te vinden, is door alle resultaten te zoeken en de resultaten weg te gooien die onmogelijk zijn. Dat kost veel rekentijd en moeite. Dit proces wordt quantum tomografie genoemd. [De 9 grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde]

Een lichtgolf is een combinatie van een elektrisch en magnetisch veld, waarvan elk oscilleert en een golf maakt. Elke golf beweegt in de tijd met de andere en ze staan ​​loodrecht op elkaar. Een bundel van licht bestaat uit veel van deze golven.

Licht kan een zogenaamd orbitaal impulsmoment hebben. In een straal zonder orbitaal impulsmoment staan ​​de pieken van de golven - de elektrische, bijvoorbeeld - in een rij. Een vliegtuig dat deze pieken verbindt, zal plat zijn. Als de straal een orbitaal impulsmoment heeft, zal een vlak dat deze pieken verbindt een spiraalvormig, spiraalvormig patroon maken, omdat de lichtgolven enigszins van elkaar worden verschoven als u de straal omgaat. Om de staat van de fotonen te meten, moeten wetenschappers deze spiraalvormige vorm van de golven in de straal "ontrafelen".

Het meten van de kwantumtoestand van een foton

Het team vuurde eerst een laser door een stuk transparant polymeer dat het licht brak, waardoor de spiraal die door de golven werd gevormd, werd 'ontrafeld'. Het licht passeert vervolgens door speciale lenzen en in een rooster dat veel kopieën van de straal maakt. Nadat het licht door het rooster is gegaan, wordt het uitgespreid om een ​​bredere straal te vormen.

Nadat de straal is verbreed, raakt deze een apparaat dat een ruimtelijke lichtmodulator wordt genoemd. De modulator voert de eerste meting uit. De straal reflecteert vervolgens terug in dezelfde richting als waar hij vandaan kwam en passeert een straalsplitser. Op dat punt beweegt een deel van de balk in de richting van een spleet, die een tweede meting uitvoert. [Twisted Physics: 7 Mind-Blowing Experiments]

Een van de twee metingen wordt "zwak" en de andere "sterk" genoemd. Door twee eigenschappen te meten, kan de kwantumtoestand van de fotonen worden gereconstrueerd zonder de lange foutcorrectieberekeningen die tomografie vereist.

In kwantumcomputers is de quantumtoestand van het deeltje de qubit. Een qubit kan bijvoorbeeld worden opgeslagen in de polarisatie van het foton of zijn orbitaal-hoekmomentum, of beide. Atomen kunnen ook qubits opslaan, in hun momenta of spins.

Huidige kwantumcomputers hebben maar een paar bits erin. Malik merkte op dat het record 14 qubits is, met behulp van ionen. Het grootste deel van de tijd zullen ionen of fotonen slechts een aantal bits hebben die ze kunnen opslaan, omdat de toestanden tweedimensionaal zullen zijn. Natuurkundigen gebruiken tweedimensionale systemen omdat ze dat kunnen manipuleren - het zou erg moeilijk zijn om meer dan twee dimensies te manipuleren, zei hij.

Directe meting, in tegenstelling tot tomografie, zou het gemakkelijker moeten maken om de toestanden van deeltjes te meten (in dit geval fotonen). Dat zou betekenen dat het eenvoudiger is om meer dimensies toe te voegen - drie, vier of zelfs - zoals in dit experiment, 27 - en meer informatie op te slaan.

Mark Hillery, een professor in de natuurkunde aan het Hunter College in New York, was sceptisch dat directe metingen noodzakelijkerwijs beter zouden zijn dan de huidige technieken."Er is een controverse over zwakke metingen - met name of ze echt nuttig zijn of niet," schreef Hillery in een e-mail aan WordsSideKick.com. "Voor mij is het belangrijkste probleem hier of de techniek die ze gebruiken beter (efficiënter) is dan quantum-state tomografie voor het reconstrueren van de kwantumtoestand, en in de conclusie zeggen ze dat ze het niet echt weten."

Jeff Savail, een kandidaat-onderzoeker aan de Canadese Simon Fraser University, werkte aan een vergelijkbaar direct meetprobleem in het laboratorium van Boyd, en zijn werk werd geciteerd in de studie van Malik. In een e-mail zei hij dat een van de opwindender implicaties het 'meetprobleem' is. Dat wil zeggen, in kwantummechanische systemen is de vraag waarom sommige metingen kwantumtoestanden bederven, terwijl anderen dat niet doen, een diepere filosofische vraag dan alleen de kwantumtechnologieën zelf. "De directe meettechniek geeft ons een manier om recht in het hart van de kwantumtoestand waar we mee te maken hebben te zien," zei hij. Dat betekent niet dat het niet nuttig is - verre van dat. "Er kunnen ook toepassingen in de beeldvorming zijn, omdat het kennen van de golffunctie van het beeld, in plaats van het vierkant, behoorlijk nuttig kan zijn."

Malik was het ermee eens dat er meer experimenten nodig zijn, maar hij denkt nog steeds dat de voordelen kunnen liggen in de relatieve snelheidsmeting. "Tomografie vermindert fouten, maar de nabewerking [berekeningen] kan uren duren," zei hij.

Volg ons @wordssidekick, Facebook & Google+. Oorspronkelijk artikel op WordsSideKick.com.


Video Supplement: What is Consciousness? What is Its Purpose?.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com