fotonen er måske den mest kendte af elementære partikler. Når partiklerne rejser med lysets hastighed, bombarderer de os dagligt fra solen, månen og stjernerne. I mere end et århundrede har forskere og ingeniører udnyttet dem samlet til at belyse vores byer og nu vores skærme.

forskere i dag kan kontrollere fotoner med mere finesse end nogensinde før. På National Institute of Standards and Technology (NIST) i Maryland skaber og manipulerer fysiker Paulina Kuo fotoner individuelt., Ved at belyse specialdesignede krystaller med laserlys i hendes laboratorium producerer Kuo tvillingefotoner, som hun yderligere kan adskille i enkeltfotoner. Lede dem mod visse materialer, som absorberer partiklen til at producere fotoner af forskellige farver, hun effektivt kan ændre farven på en foton samtidig bevare de oplysninger, der er kodet i det.

for eksempel designede hun en krystal for at fordoble frekvensen af en inputfoton, hvilket muliggør konvertering mellem rødt og infrarødt lys. “Du kan smelte to fotoner sammen eller opdele en foton i to,” siger hun., “Eller endnu højere ordensprocesser . Du kan smelte tre fotoner i en eller opdele en foton i tre.”Som supplement til disse teknikker bruger hun avancerede enkeltfotondetektorer, lavet af superledende ledninger, der bliver ikke-superledende, når de absorberer en enkelt foton. Disse typer detektorer leverer meget nøjagtige tællinger og registrerer fotoner med op til 99 procent effektivitet.

denne enkeltfotonteknologi vil danne rygraden i et fremtidig kvanteinternet, et foreslået globalt netværk af enheder til transmission af data kodet i enkeltfotoner og andre kvantepartikler., Disse data ville være repræsenteret i en partikels kvanteegenskaber, såsom en fotons polarisering. I modsætning til klassiske data, som kun kan repræsenteres som 0 eller 1, tager såkaldt kvanteinformation værdier, der er vægtede kombinationer af 0 og 1, hvilket muliggør nye, potentielt mere kraftfulde beregningsalgoritmer og nye krypteringsprotokoller.

tekniske udfordringer bugner for kvanteinternettet, såsom problemer med signaltab, siger Kuo. Men forskere – og deres regeringer-har lagt ambitiøse planer., I 2016 begyndte den Europæiske Union et kvanteteknologiinitiativ på 1 milliard euro. I August etablerede USA fem kvanteforskningscentre for at fremskynde kvanteteknologiudvikling med op til $625 millioner lovet i løbet af de næste fem år. Fysiker Pan Jian-.ei, der stod i spidsen for 2016-lanceringen af en $100 millioner kinesisk kvanteteknologisatellit og dens efterfølgende projekter, har beskrevet et mål om at opbygge et globalt kvanteinternet inden 2030.,

Mange eksperter har kaldt den nuværende æra af enkelt-foton-teknologi som den “anden quantum revolution,” et paradigmeskift, hvor videnskabsfolk ikke kun at forstå ulogisk principper for kvantemekanik—indvikling, superposition, og bølge-partikel dualitet—men kan udnytte dem i teknologier. Fotonen er ikke længere kun et objekt til undersøgelse, men et værktøj.

Så hvad er så en foton? Kuo giver et cirkulært svar. “En foton er kliket registreret af en enkeltfotonopløsende detektor,” siger hun.Vaguer ord end Kuo er blevet brugt til at beskrive fotonen., Det er en bølge og en partikel af lys, eller det er en Kvantisering af det elektromagnetiske felt. Eller “hold kæft og beregne” en sætning, der er kendt for alle, der har forvirret over kvantemekanik.

“Du kan komme i problemer, hvis du giver fotonen for meget virkelighed,” siger fysiker Alan Migdall fra NIST.

“folk har argumenteret for det i 100 plus år,” siger fysiker Aephraim Steinberg fra University of Toronto. “Jeg tror ikke, vi er nået til enighed.”

fysikere begyndte at argumentere for fotonen, så snart de opdagede det., De meget forskere, der opfattede partiklerne, var skeptiske over, at de grundlæggende eksisterede i naturen. For at forklare ellers forvirrende eksperimentelle data om forholdet mellem et objekts temperatur og dets udsendte stråling foreslog den tyske fysiker Ma.Planck i 1900, at stråling kommer i diskrete mængder eller kvanta. Konceptet af fotonen blev født. Men Planck forstod ikke dybden af hans id.. Han beskrev senere sit gennembrud som”en desperationshandling” —et udokumenteret trick for at få matematikken til at fungere.,Albert Einstein modsatte sig også implikationer af fotonteorien, som han hjalp med at udvikle. Han var især generet af sammenfiltring, tanken om, at to partikler kan have sammenflettet skæbner, selv når de er adskilt langt fra hinanden. Teorien indebar for eksempel, at hvis du målte polariseringen af den ene foton i et sammenfiltret par, ville du øjeblikkeligt også kende polariseringen af den anden, selvom de to partikler er blevet adskilt til modsatte ender af solsystemet., Sammenfiltring foreslog, at objekter kan påvirke hinanden fra vilkårligt langt væk, kendt som nonlocality, som Einstein hånede som “uhyggelig handling på afstand.”Foretrækker en virkelighed, hvor objekter skal være i nærheden for at udøve indflydelse på hinanden, troede han, at kvantemekanikteorien var ufuldstændig. “Det gav bestemt Einstein fordøjelsesbesvær,” siger Migdall.

i årtier blev argumenter over fotonen stort set henvist til tankeeksperimenternes rige, da det var teknologisk umuligt at teste disse ideer., For nylig, debatten har sivet ind i Fysik samfund mere bredt, som enkelt-foton kilder og detektorer bliver bedre og mere bredt tilgængelige, ifølge Steinberg. “Vi kan udføre disse eksperimenter i stedet for bare at forestille os dem, som Schr .dingers kat,” siger han.

for eksempel har fysikere alle undtagen bekræftet eksistensen af sammenfiltring. Årtiers eksperimenter, kendt som test af Bells ulighed, viser nu stærkt, at Einstein var forkert—og at vores univers er ikke-lokal.,

disse tests er baseret på en eksperimentel ramme udtænkt af den britiske fysiker John Ste .art Bell i 1964. I teoretisk arbejde, Bell viste, at hvis man gentagne målinger på angiveligt sammenfiltrede partikler, de statistikker, der kunne afsløre, om de fotoner virkelig påvirker hinanden nonlocally, eller hvis en ukendt mekanisme—kendt generisk som en “lokal skjult variabel”—skaber illusionen af handling på afstand. I praksis har testene stort set involveret opdeling af par sammenfiltrede fotoner langs to forskellige stier for at måle deres polarisationer ved to forskellige detektorer.,
fysikere har udført Klokketest siden 1970 ‘ erne, med alle offentliggjorte eksperimenter, der indikerer, at fotoner kan virke uhyggeligt på afstand, som fysiker David Kaiser fra Massachusetts Institute of Technology forklarer. På trods af enstemmige resultater var disse tidlige eksperimenter ufuldstændige: teknologiske mangler betød, at deres eksperimenter led af tre potentielle designbegrænsninger eller smuthuller.

det første smuthul, kendt som locality loophole, stammer fra, at de to polarisationsdetektorer er for tæt på hinanden., Teoretisk set var det muligt, at en detektor kunne have videresendt et signal til den anden detektor lige før de sammenfiltrede fotoner udsendes, hvilket påvirker resultatet af målingen lokalt.

det andet smuthul, kaldet fair sampling loophole, skyldtes enkeltfotondetektorer af dårlig kvalitet. Eksperter hævdede, at detektorerne kunne have fanget en partisk delmængde af fotonerne og skævt statistikken. Ønsket om at lukke dette smuthul, siger Migdall, har drevet udviklingen af bedre enkeltfotondetektorer, det samme, der nu bruges rutinemæssigt i kvanteteknologier.,

den tredje smuthul, frihed-of-choice smuthul, er relateret til indstillingerne for polarisationsdetektoren. For at få virkelig uvildig statistik over et stort antal polarisationsmålinger skal orienteringen af polarisationsdetektoren nulstilles tilfældigt for hver måling. Det er vanskeligt at garantere tilfældighed, hvor forskere omhyggeligt nulstiller detektorerne for hånd i tidlige eksperimenter.

nylige eksperimenter har lukket alle tre smuthuller, omend ikke samtidigt i en test, ifølge Kaiser., I 2015 udførte et team ledet af fysiker Ronald Hanson ved Delft University of Technology en Klokketest, der lukkede fair sampling og lokalitet smuthuller for første gang, omend ved hjælp af sammenfiltrede elektroner snarere end fotoner.

Publicering i 2018, et team af forskere ved Institut for Fotonik Sciences i Spanien opkrævet 100.000 frivillige til at spille et video spil til at generere tilfældige tal, som forskerne brugte til at sætte deres Bell test detektorer til at begrænse det frie valg smuthul.,

Kaiser arbejdede på et andet eksperiment blev offentliggjort i 2018, døbt den “Kosmiske Bell Test”, som lukkede den lokalitet smuthul og stramt begrænset frihed-af-valg smuthul ved at sætte deres polarisering detektor orientering ved hjælp af en random number generator, der er baseret på frekvensen af det udsendte lys fra to stjerner 600 1900 lysår væk, hhv.

resultaterne understøtter stærkt ikke-lokaliteten af sammenfiltring. “Den fordøjelsesbesvær, som Einstein havde med kvantemekanik—hvis han var i dag, ville du fortælle ham, at han bare skulle tackle det,” siger Migdall.,

Fysiker Alexandra Landsman af Ohio State University beskriver foton som en “quantum of energy”, som justerer tæt sammen med fysikere’ oprindelige opfattelser af partiklen. I et papir fra 1905 beskrev Einstein lys som diskrete energipakker proportional med dens frekvens for at forklare den såkaldte fotoelektriske effekt. Forskere havde observeret, at materialer absorberer lys for at skubbe elektroner ud, men kun når lysets frekvens er kortere end en tærskelværdi., Einsteins forklaring, som han blev tildelt Nobelprisen i 1921, hjalp med at kickstarte udviklingen af kvanteteori.

ny laserteknologi har gjort det muligt for forskere at revidere den fotoelektriske effekt mere detaljeret. Attosekund lasere, opfundet i 2001, leverer lysimpulser mindre end en quaduadrillionth af et sekund langt, der gør det muligt for fysikere at observere kvanteskala handling som et kamera med rekordlukkerhastighed., Især fysikere bruger ultrahurtige lasere til at tid den fotoelektriske effekt: når en foton rammer et atom eller molekyle, hvor lang tid tager det elektronen, der skal udstødes? “Folk i fortiden antog, at denne proces sker øjeblikkeligt,” siger Landsman. “Der var ingen måde at løse dette spørgsmål eksperimentelt.”

i 2010 udførte et team ledet af fysiker Ferenc Kraus., derefter ved Viennaien University of Technology, et eksperiment, der viste, at elektronudkastning fra et atom tager tid., Mens de havde ikke måle den absolutte tid, de kunne se, at det tog omkring 20 attoseconds længere for en elektron at forlade fra 2p-orbital versus 2s orbital af en neon-atom. Efterfølgende forsøg fra andre grupper har timet elektronemissionen i molekyler som vand og lattergas.

Landsman, en teoretiker, arbejder på at forstå, hvorfor elektroner forlader visse molekyler hurtigere end andre. Nogle molekyler begrænser for eksempel elektronen til et rum, således at elektronen danner en stående bølge., Denne tilstand, kendt som formresonans, fælder midlertidigt elektronen og bremser dens flugt. I sidste ende vil Landsman belyse alle de faktorer, der forsinker atomer og molekyler fra at frigive elektronen til nul i hvor længe fotonen og elektronen støder på hinanden. “Disse eksperimenter giver os mere indsigt i, hvordan en foton interagerer med en elektron,” siger hun.

Minlatko Minev tror imidlertid ikke, at en foton er et kvantum af energi. Minev, en fysiker hos IBM, undersøger, hvordan man bygger en kvantecomputer., I denne nye teknologiske kontekst, siger han, synes fotoner at manifestere sig anderledes.

Minev kører eksperimenter på kredsløb lavet af superledende ledninger, der kan bruges som quubits, som er byggesten af kvantecomputere. Disse kredsløb er designet til at absorbere en enkelt foton af en specificeret energi, hvor absorptionen af en foton kan repræsentere 1-tilstanden i en kvantecomputer. Når quubit absorberer en foton, ændres dens respons, så den ikke længere absorberer fotoner af den energi.,

den konventionelle ID.om en foton som et “kvantum af energi” passer ikke til disse kredsløb, siger Minev, der henviser til systemerne som kvante ikke-lineære oscillatorer. “Du kan spørge, Hvad betyder det at have to fotoner i min oscillator? Er det to enheder af energi?”siger han. “I dette tilfælde er det ikke, fordi hver ekstra foton i oscillatoren faktisk har en anden mængde energi. Energien definerer ikke fotonen i dette tilfælde.”

så hvordan beskriver han fotonen? “Jeg er ikke sikker på, at jeg kan give dig et svar med en sætning,” siger Minev. “Jeg revurderer i øjeblikket min egen forståelse.,”I øjeblikket mener han, at fotonen er et “actionuantum of action”, hvor” handling ” henviser til en abstrakt mængde, der beskriver hans systems tilladte opførsel.

efterhånden som fysikere revurderer det grundlæggende, belyser disse nye eksperimenter forbindelsen mellem grundlæggende videnskab og applikationer. Kuo ‘ s quantumuantum internet-teknologi deler herkomst med den Hard .are, der anvendes i Bell test af sammenfiltring. Minev ‘ s undersøgelser af hans bratte oscillator hjælpe ham med at udvikle metoder til at rette fejl i kvantecomputere., Landsmans forskning om den fotoelektriske effekt i molekyler kan afsløre ledetråde om dens elektroniske egenskaber, hvilket i sidste ende kunne give forskere en ny vej til design af materialer med ønskede specifikationer. Migdall siger, at forskere bruger Klokketest til at verificere tilfældighed i nye modeller af tilfældige talgeneratorer, der udnytter sammenfiltrede partikler.

stadig undgår fotonens sande natur fysikere. “Alle de halvtreds år med bevidst opdræt har bragt mig ikke tættere på svaret på spørgsmålet: Hvad er lyskvanter?”Einstein skrev i et brev fra 1951., “Selvfølgelig tror enhver rascal i dag, at han kender svaret, men han bedrager sig selv.”

han har måske taget fejl af sammenfiltring, men syv årtier med kollektiv opdræt senere holder stemningen stadig.Sophia Chen bidrager til kablet, videnskab og fysik pige. Hun er freelance skribent baseret i Columbus, Ohio.

Nyde denne artikel?, Get similar news in your inbox

Get more stories from SPIE