fotoni saattaa olla alkeishiukkasista tutuin. Matkalla valon nopeudella hiukkaset pommittavat meitä päivittäin auringosta, kuusta ja tähdistä. Yli vuosisadan, tutkijat ja insinöörit ovat valjastaneet ne yhteenlaskettu valaisemaan meidän kaupungeissa ja nyt, meidän näytöt.

tutkijat pystyvät nykyään kontrolloimaan fotoneja entistä hienovaraisemmin. National Institute of Standards and Technology (NIST) Marylandissa, fyysikko Paulina Kuo luo ja manipuloi fotonit erikseen., Valaisemalla laboratoriossaan mittatilaustyönä suunniteltuja kiteitä laservalolla Kuo tuottaa kaksoisfotoneja, jotka hän voi edelleen erottaa yksittäisiksi fotoneiksi. Suuntaamalla ne kohti tiettyjä materiaaleja, jotka absorboivat hiukkasen tuottamaan erivärisiä fotoneja, hän voi tehokkaasti muuttaa fotonin väriä säilyttäen siihen koodatun tiedon.

esimerkiksi hän suunnitteli kiteen, joka kaksinkertaistaisi tulofotonin taajuuden mahdollistaen muuntamisen punaisen ja infrapunavalon välillä. ”Voidaan yhdistää kaksi fotonia tai jakaa yksi fotoni kahdeksi”, hän sanoo., ”Tai jopa korkeamman järjestyksen prosesseja. Voit kytkeä kolme fotonia yhteen tai jakaa yhden fotonin kolmeen.”Täydentää näitä tekniikoita hän käyttää state-of-the-art yhden fotoni-ilmaisimet, tehty suprajohtavien lankojen, että tulee nonsuperconducting, kun ne imevät yhden fotonin. Tämäntyyppiset ilmaisimet antavat erittäin tarkkoja lukemia ja havaitsevat fotoneja, joiden hyötysuhde on jopa 99 prosenttia.

Tämä single-photon teknologia selkäranka tulevaisuuden kvantti-internet, ehdotetun maailmanlaajuisen verkon laitteet lähettävät tiedot on koodattu yhden fotonit ja muut quantum hiukkasia., Tämä data edustaisi hiukkasen kvanttiominaisuuksia, kuten fotonin polarisaatiota. Toisin kuin klassisen tietoja, jotka voi vain olla edustettuina kuin 0 tai 1, ns. kvantti-informaation saa arvoja, jotka ovat painotettuja yhdistelmiä 0 ja 1, joka mahdollistaa uusien, mahdollisesti tehokkaampi laskennallisia algoritmeja ja uusia salaus protokollia.

tekniset haasteet runsaasti quantum internet, kuten ongelmia signaalin menetys, kertoo Kuo. Tutkijat-ja heidän hallituksensa-ovat kuitenkin laatineet kunnianhimoisia suunnitelmia., Vuonna 2016 Euroopan unioni aloitti 1 miljardin euron quantum technologies-aloitteen. Elokuussa Yhdysvallat perusti viisi kvanttitutkimuskeskusta nopeuttamaan kvanttiteknologian kehitystä, ja seuraavan viiden vuoden aikana luvattiin jopa 625 miljoonaa dollaria. Fyysikko Pan Jian-Wei, joka johti 2016 käynnistää $100 miljoonaa Kiinalaista quantum teknologia satelliitti-ja sen myöhemmät hankkeet on kuvattu tavoite, rakentaa maailmanlaajuinen kvantti internet vuoteen 2030 mennessä.,

Monet asiantuntijat ovat puhuttu nykyisen aikakauden single-photon tekniikkaa kuin ”toinen quantum vallankumous,” paradigman muutos, jossa tutkijat eivät vain ymmärrä counterintuitive periaatteet kvanttimekaniikka—takertua, päällekkäisyys, ja aalto-hiukkanen kaksinaisuus—mutta voi hyödyntää niitä teknologioita. Fotoni ei ole enää vain tutkimuksen kohde, vaan väline.

joten mikä sitten on fotoni? Kuo antaa kiertävän vastauksen. ”Fotoni on yhden fotonin ratkaisevalla ilmaisimella rekisteröity Klikkaus”, hän sanoo.

Vaguerin sanoja kuin Kuon sanoja on käytetty kuvaamaan fotonia., Se on aalto ja valohiukkanen tai sähkömagneettisen kentän kvantisointi. Tai ”Turpa kiinni ja laske”, kvanttimekaniikkaa ihmetelleelle tuttu lause.

”Voit joutua vaikeuksiin, jos et anna fotoni liian paljon todellisuutta”, sanoo fyysikko Alan Migdall osa NIST.

”Ihmiset ovat kiistelleet siitä 100 plus vuotta”, sanoo fyysikko Aephraim Steinberg University of Toronto. ”En usko, että olemme päässeet yhteisymmärrykseen.”

fyysikot alkoivat riidellä fotonista heti löydettyään sen., Juuri tiedemiehet, jotka saivat alkunsa hiukkasista, olivat skeptisiä siitä, että ne olivat pohjimmiltaan olemassa luonnossa. Selittää muuten sekoittavat kokeelliset tiedot, jotka koskevat suhdetta objektin lämpötila sen säteilyn, vuonna 1900 saksalainen fyysikko Max Planck ehdotti, että säteily tulee diskreetti määriä, tai quanta. Fotonin käsite syntyi. Planck ei kuitenkaan ymmärtänyt ideansa runsautta. Hän myöhemmin kuvattu hänen läpimurto kuin ”teko epätoivo”—kyseenalainen temppu tehdä laskelmia.,

myös Albert Einstein vastusti fotoniteorian vaikutuksia, joita hän auttoi kehittymään. Hän oli erityisen vaivautunut takertua, ajatus siitä, että kaksi hiukkasta voi olla kietoutuvat kohtalot, vaikka he ovat eronneet huomattavasti toisistaan. Teoria merkitsi esimerkiksi sitä, että jos mitattu polarisaatio yksi fotoni on juuttunut pari, sinun olisi heti myös tietää, polarisaatio, vaikka kaksi hiukkaset ovat erotettu toisistaan vastakkaisiin päihin aurinkokunnan., Takertuminen ehdotti, että esineet voivat vaikuttaa toisiinsa mielivaltaisesti kaukana, tunnetaan epälokaalista, joka Einstein pilkattiin ”spooky action at a distance.”Mieluummin todellisuutta, jossa objektien on oltava lähellä vaikuttaa toisiinsa, hän uskoi, että kvanttimekaniikka teoria oli epätäydellinen. ”Se aiheutti Einsteinille varmasti ruoansulatushäiriöitä”, Migdall sanoo.

vuosikymmeniä, argumentteja yli fotoni olivat pitkälti taka valtakunnassa ajattelun kokeiluja, koska se oli teknisesti mahdotonta testata näitä ajatuksia., Viime aikoina keskustelu on trickled osaksi fysiikan yhteisö laajemmin, kuin yhden fotonin lähteistä ja ilmaisimet tulla paremmin ja laajemmin saataville, mukaan Steinberg. ”Voimme tehdä näitä kokeita sen sijaan, että vain kuvittelisimme niitä, kuten Schrödingerin kissa”, hän sanoo.

esimerkiksi fyysikot ovat lähes vahvistaneet sotkeutumisen olemassaolon. Vuosikymmenien kokeiluja, tunnetaan testit Bellin epäyhtälö, nyt viittaavat vahvasti siihen, että Einstein oli väärässä—ja että maailmankaikkeus on nonlocal.,

Nämä testit perustuvat kokeellisen framework kaavailemat BRITANNIAN fyysikko John Stewart Bellin vuonna 1964. Teoreettisen työn, Bell osoitti, että jos toista mittaukset oletettavasti sotkeutua hiukkaset, tilastot voivat paljastaa, onko fotonit todella vaikuttavat toisiinsa nonlocally, tai jos tuntematon mekanismi—tunnetaan yleisesti niin ”paikallinen piilotettu muuttuja”—luo illuusion toimintaa etäältä. Käytännössä testit ovat suurelta osin mukana halkaisu jopa paria kietoutuvat fotonien mukana kaksi eri polkuja mitata niiden polariteetin kahdella eri ilmaisimet.,
Fyysikot ovat esiintyneet Bell testit 1970-luvulta lähtien, ja kaikki julkaistut kokeet osoittavat fotonit voivat spookily toimia etäältä, kuten fyysikko David Kaiser Massachusetts Institute of Technology kertoo. Kuitenkin, huolimatta yksimielisiä tuloksia, nämä varhaiset kokeilut olivat tuloksettomia: Teknologian puutteet tarkoitti heidän kokeiluja kärsi kolme mahdollista suunnitella rajoituksia, tai porsaanreikiä.

paikkakunnan porsaanreikänä tunnettu ensimmäinen porsaanreikä syntyy siitä, että kaksi polarisaatioilmaisinta ovat liian lähellä toisiaan., Teoriassa se oli mahdollista, että yksi ilmaisin olisi voinut välittää signaalin muille ilmaisin juuri ennen kietoutuvat fotonien ovat päästöt, jotka vaikuttavat lopputulokseen mittaus paikallisesti.

toinen porsaanreikä, nimeltään fair näytteenotto porsaanreikä, seurausta huonosta-laatu single-fotoni-ilmaisimet. Asiantuntijat väittivät, että ilmaisimet olisivat voineet napata fotonien puolueellisen osajoukon vääristäen tilastoja. Halu tukkia tämä porsaanreikä on Migdallin mukaan ajanut parempien yhden fotonin ilmaisimien kehittämistä, mitä nyt käytetään rutiininomaisesti kvanttiteknologioissa.,

kolmas porsaanreikä, valinnanvapauden porsaanreikä, liittyy polarisaatioilmaisimen asetuksiin. Saada todella puolueeton tilastoja suuri määrä polarisaatio mitat, suunta ja polarisaatio ilmaisin on satunnaisesti nollata kunkin mittauksen. Satunnaisuutta on vaikea taata, sillä tutkijat nollaavat ilmaisimet huolellisesti käsin varhaisissa kokeissa.

Viimeaikaiset kokeet ovat Kaiserin mukaan tukkineet kaikki kolme porsaanreikää, joskaan eivät yhtä aikaa yhdessä testissä., Vuonna 2015, joukkue johti fyysikko Ronald Hanson at Delft University of Technology suoritetaan Bell testi, joka suljettu reilun näytteenotto ja paikkakunta porsaanreikiä ensimmäistä kertaa, vaikkakin käyttäen sotkeutua elektronit pikemminkin kuin fotonit.

Julkaista vuonna 2018, tutkijat Institute of Photonics Sciences Espanjasta hintaan 100 000 vapaaehtoista pelata videopeli tuottaa satunnaisia numeroita, joita tiedemiehet käytetään asettamaan heidän Bell testi ilmaisimet rajoittaa vapautta-of-valinta porsaanreikä.,

Kaiser työskennellyt toinen kokeilu julkaistiin vuonna 2018, puhuttu ”Kosminen Kello Testi”, joka on suljettu paikkakunnalla porsaanreikä ja tiukasti rajoittaa vapautta-of-valinta porsaanreikä asettamalla niiden polarisaatio ilmaisin suunta käyttämällä satunnaislukugeneraattoria, joka perustuu taajuus valo emittoituu kaksi tähteä 600 ja 1900 valovuoden päässä, vastaavasti.

tulokset tukevat voimakkaasti epälokaalista takertua. ”Ruoansulatusvaivat, joita Einsteinilla oli kvanttimekaniikan kanssa—jos hän olisi täällä tänään, sanoisit hänelle, että hänen täytyisi vain hoitaa se”, Migdall sanoo.,

Fyysikko Alexandra Landsman Ohio State University kuvaa fotonin kuten ”quantum of energy”, joka myötäilee tiiviisti fyysikot alkuperäinen käsityksiä hiukkanen. Vuonna 1905 Einstein kuvaili valoa diskreeteiksi energiapaketeiksi, jotka ovat verrannollisia sen taajuuteen selittääkseen niin sanotun valosähköisen vaikutuksen. Tutkijat olivat havainneet, että materiaalit absorboivat valoa, joka työntää elektroneja, mutta vain silloin, kun taajuus valo on lyhyempi kuin jokin raja-arvo., Einsteinin selitys, josta hän sai Nobelin Palkinnon vuonna 1921, auttoi kickstart kehityksen quantum theory.

uuden lasertekniikan ansiosta tutkijat ovat voineet tarkastella valosähköistä vaikutusta tarkemmin. Attosecond laserit, keksi vuonna 2001, antaa pulsseja valon alle quadrillionth toisen pitkän joiden avulla fyysikot tarkkailla quantum mittakaavan toimintaa, kuten kamera tallentaa valotusaika., Erityisesti fyysikot käyttävät ultranopeat laserit aika valosähköinen ilmiö: kun fotoni osuu, kun atomi tai molekyyli, kuinka kauan se kestää electron poistettiin? ”Ihmiset olettivat aiemmin, että tämä prosessi tapahtuu välittömästi”, Landsman sanoo. ”Ei ollut mitään keinoa käsitellä tätä kysymystä kokeellisesti.”

Vuonna 2010, joukkue johti fyysikko Ferenc Lovelock, sitten Wienin teknillinen Yliopisto, suoritetaan kokeilu osoittaa, että elektroni erottamiseen atomi vie aikaa., Vaikka ne eivät mittaa absoluuttista aikaa, he voisivat erottaa se, että se kesti noin 20 attoseconds enää elektroni jättää pois 2p kiertoradan vs. 2s orbital on neon-atomi. Muiden ryhmien myöhemmät kokeet ovat ajoittaneet elektronipäästön molekyyleihin, kuten veteen ja ilokaasuun.

teoreetikko Landsman pyrkii ymmärtämään, miksi elektronit jättävät tietyt molekyylit muita nopeammin. Jotkin molekyylit esimerkiksi rajaavat elektronin sellaiseen tilaan, että elektroni muodostaa seisovan aallon., Tämä tila, joka tunnetaan nimellä shape resonance, pyydystää elektronin tilapäisesti hidastaen sen karkaamista. Lopulta, Landsman haluaa selvittää kaikki tekijät, jotka viivästyttävät atomeja ja molekyylejä vapauttaa elektronin hakeutua kuinka kauan fotoni ja elektroni kohtaavat toisensa. ”Nämä kokeet antavat meille enemmän tietoa siitä, miten fotoni vuorovaikutuksessa elektronin kanssa”, hän sanoo.

Zlatko Minev ei kuitenkaan usko fotonin olevan energian kvantti. IBM: n fyysikko Minev tutkii kvanttitietokoneen rakentamista., Tässä uudessa teknologisessa kontekstissa fotonit näyttävät hänen mukaansa ilmenevän eri tavalla.

Minev toimii kokeita piirien tehty suprajohtavat langat, joita voidaan käyttää qubits, jotka ovat rakennuspalikoita kvanttitietokoneet. Nämä piirit on suunniteltu absorboimaan yksi tietyn energian fotoni, jossa fotonin absorptio voi edustaa kvanttitietokoneen 1-tilaa. Kun kubitti imee yhden fotonin, sen vaste muuttuu, niin että se ei enää ime fotonit, että energiaa.,

perinteinen käsitys, fotoni, kuten ”quantum of energy” ei sovi nämä piirit, sanoo Minev, joka viittaa järjestelmiin, kuten quantum epälineaarinen oskillaattorit. ”Voisit kysyä, mitä tarkoittaa, että oskillaattorissani on kaksi fotonia? Onko se kaksi energiayksikköä?”hän sanoo. ”Tässä tapauksessa, se ei ole, koska jokainen ylimääräinen fotoni vuonna oskillaattori todella on eri määrä energiaa. Energia ei määrittele fotonia tässä tapauksessa.”

Joten miten hän kuvaa fotonia? ”En ole varma, voinko antaa yhden lauseen vastausta”, Minev sanoo. ”Arvioin parhaillaan omaa ymmärrystäni.,”Tällä hetkellä hän pitää fotonia” toiminnan kvanttina”, jossa” toiminta ” viittaa abstraktiin määrään, joka kuvaa hänen järjestelmänsä sallittua käyttäytymistä.

Kuten fyysikot arvioida uudelleen perusasiat, nämä uudet kokeilut valaisemaan yhteys perustutkimusta ja sovelluksia. Kuo: n quantum internet-teknologia jakaa syntyperän sotkeutumisen Kellotesteissä käytettävän laitteiston kanssa. Minev tutkimukset hänen epälineaarinen oskillaattori auttaa häntä kehittämään menetelmiä korjata virheitä kvanttitietokoneissa., Landsman: n tutkimus-valosähköinen vaikutus molekyylejä voi paljastaa vihjeitä sen sähköisiä ominaisuuksia, joka voisi lopulta tarjota tutkijoille uusia avenue suunnittelussa materiaalien halutut tiedot. Migdallin mukaan tutkijat käyttävät Kellotestejä satunnaisuuden todentamiseen uusissa satunnaislukugeneraattorimalleissa, jotka hyödyntävät sotkeutuneita hiukkasia.

silti fotonin todellinen luonne elättää fyysikot. ”Kaikki viisikymmentä vuotta tajuissaan, mietiskelevä on tuonut minua lähemmäksi vastausta kysymykseen: Mitä ovat valo quanta?”Einstein kirjoitti kirjeessään vuonna 1951., ”Tietenkin nykyään jokainen lurjus luulee tietävänsä vastauksen, mutta pettää itseään.”

hän on saattanut erehtyä sotkeutumisesta, mutta seitsemän vuosikymmentä myöhemmin kollektiivista hautomista on edelleen tunteella.

Sophia Chen edistää WIREDIÄ, tiedettä ja Fysiikkatyttöä. Hän on freelance-kirjailija, jonka kotipaikka on Columbus, Ohio.

Nauti tämän artikkelin?, Get similar news in your inbox

Get more stories from SPIE