Bilim İnsanları İlk Kez Tek Fotonu İkiye Ayırdı
Fizikçiler, ilk kez tek bir fotonun bile doğanın en katı kurallarından biri olan açısal momentumun korunumuna uyduğunu gösterdiler.
Milyarlarca denemede bir elde edilen bu samanlıkta iğne arama başarısı, yalnızca en küçük ölçekte fizik yasalarının temel taşlarından birini kanıtlamakla kalmıyor, aynı zamanda dolanık durumlardan güvenli iletişime kadar gelişmiş kuantum teknolojilerine giden bir yol açıyor.
Açısal Momentum Korunumunun Kuantum Düzeyinde Doğrulanması
Tampere Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, Almanya ve Hindistan’daki meslektaşlarıyla birlikte çalışarak, tek bir foton ikiye bölündüğünde açısal momentumun korunduğunu ilk kez gösterdiler. Bu sonuç, kuantum ölçeğinde fiziğin temel bir ilkesini doğruluyor ve hesaplama, iletişim ve algılama teknolojilerinde kullanılmak üzere gelişmiş kuantum durumlarının oluşturulmasına yardımcı olabilecek bir dönüm noktasını işaret ediyor.
Koruma yasaları, hangi süreçlerin mümkün olup hangilerinin olmadığını belirledikleri için bilimin merkezinde yer alır. Bilinen bir örnek, bilardoda bir topun çarpışması sırasında momentumunun diğerine aktarılmasıdır. Benzer bir ilke, açısal momentum taşıyan dönen nesneler için de geçerlidir. Işık da açısal momentuma, özellikle de bir ışık huzmesinin uzaysal şekliyle ilişkili olan yörüngesel açısal momentuma (OAM) sahip olabilir.
Kuantum düzeyinde bu, tek tek fotonların maddeyle etkileşime girdiklerinde korunması gereken belirli miktarlarda OAM taşıdığı anlamına gelir. Yakın zamanda Physical Review Letters’da yayınlanan bir çalışmada, Tampere liderliğindeki ekip, bu koruma kuralının tek bir foton bir çifte bölündüğünde de geçerli olup olmadığını araştırdı. Çalışmaları, koruma testlerinin sınırlarını mümkün olan en küçük ölçeğe kadar zorladı.
Sıfır açısal momentuma sahip tek bir fotonun (yeşil) sıfır veya zıt açısal momentuma sahip iki fotona (kırmızı) bölünmesinin şeması (uzaysal olarak değişen renklerle çizilmiştir), toplamda sıfıra ulaşarak temel açısal momentum korunum yasasını doğrular. Kaynak: Robert Fickler / Tampere Üniversitesi
Bir Eksi Bir Sıfıra Eşittir
Kurala göre, OAM içermeyen bir foton ikiye ayrılırsa, ortaya çıkan fotonların açısal momentum değerleri birbirini götürmelidir. Örneğin, bir foton bir birim OAM taşıyarak çıkarsa, ikincisi negatif bir birim taşımalıdır. Basitçe söylemek gerekirse, 1 + (-1) = 0 denklemi her zaman geçerli olmalıdır. Lazer tabanlı optik deneylerinde benzer kurallar defalarca test edilmiş olsa da, bu daha önce tek bir foton için doğrulanmamıştı.
Çalışmanın baş yazarı Dr. Lea Kopf, “Deneylerimiz, tek bir foton süreci yönlendirdiğinde bile OAM’nin gerçekten korunduğunu gösteriyor. Bu, sürecin simetrisine dayanan en temel düzeydeki önemli bir korunum yasasını doğruluyor,” diye açıklıyor.
Laboratuvar Samanlığında Fotonik İğneyi Bulmak
Ekibin deneyleri, gerekli doğrusal olmayan optik süreçler çok verimsiz olduğundan hassas ölçümlere dayanıyor. Sadece milyarda bir foton bir foton çiftine dönüştürülür; bu nedenle, tek fotonlar için OAM korunumunu ölçmek, samanlıkta iğne aramaya benzer.
Son derece kararlı bir optik düzenek, düşük arka plan gürültüsü, mümkün olan en yüksek verimliliğe sahip bir algılama şeması ve uzun deneysel dayanıklılık, araştırmacıların temel korunum yasasını doğrulayabilecek kadar başarılı dönüşüm kaydetmelerini sağlamıştır.
Kuantum Dolaşıklığının İlk İşaretleri
OAM korunumunu doğrulamanın yanı sıra, ekip üretilen foton çiftlerinde kuantum dolanıklığının ilk belirtilerini gözlemledi; bu da tekniğin daha karmaşık fotonik kuantum durumları oluşturmak için genişletilebileceğini gösteriyor.
Deneyin gerçekleştirildiği Deneysel Kuantum Optikleri grubuna liderlik eden Prof. Robert Fickler, “Bu çalışma yalnızca temel öneme sahip olmakla kalmıyor, aynı zamanda bizi fotonların uzay, zaman ve polarizasyon gibi mümkün olan her şekilde dolanık olduğu yeni kuantum durumları üretmeye önemli bir adım daha yaklaştırıyor,” diye ekliyor.
Kuantum Fotonikte Gelecekteki Yönler
Araştırmacılar, geleceğe yönelik olarak, şemalarının genel verimliliğini artırmayı ve üretilen kuantum durumunu ölçmek için daha iyi stratejiler geliştirmeyi planlıyorlar; böylece gelecekte bu fotonik iğneler laboratuvar samanlığında daha kolay bulunabilecek. Ayrıca, araştırmacılar, üretilen çok fotonlu kuantum durumlarını, kuantum iletişimi ve ağ şemaları gibi yeni temel kuantum testleri ve kuantum fotonik uygulamaları için kullanmayı hedefliyorlar.
Kaynak: https://scitechdaily.com
Kuantum Bilişimde Çığır Açan Gelişme: Foton Kaynağı ile İletim Mucizesi