a foton lehet az elemi részecskék közül a legismertebb. A fénysebességgel utazva a részecskék naponta bombáznak minket a napból, a Holdból és a csillagokból. Több mint egy évszázada a tudósok és mérnökök együttesen használják őket városaink és most a képernyők megvilágítására.

A kutatók ma minden eddiginél finomabb fotonokat irányíthatnak. A Marylandi Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézetben (NIST) Paulina Kuo fizikus külön-külön létrehozza és manipulálja a fotonokat., Által világító egyedi tervezésű kristályok lézer fény a laborjában, Kuo termel twin fotonok, amelyek tud további külön az egyes fotonok. Irányítva őket bizonyos anyagok felé, amelyek elnyelik a részecskét, hogy különböző színű fotonokat állítsanak elő, hatékonyan megváltoztathatja a foton színét, miközben megőrzi a benne kódolt információkat.

például egy kristályt úgy tervezett, hogy megduplázza a bemeneti foton frekvenciáját, lehetővé téve a vörös és az infravörös fény közötti konverziót. “Két fotont egyesíthet, vagy egy fotont ketté oszthat” – mondja., “Vagy még magasabb rendű folyamatok. Három fotont egyesíthet egybe,vagy egy fotont háromra oszthat.”Ezeknek a technikáknak a kiegészítéseként a legmodernebb egy foton detektorokat használja, amelyek szupravezető vezetékekből készülnek, amelyek nem szupravezetővé válnak, amikor egyetlen fotont elnyelnek. Az ilyen típusú detektorok rendkívül pontos számításokat biztosítanak, akár 99 százalékos hatékonysággal detektálva a fotonokat.

Ez az egy foton technológia képezi a gerincét egy jövőbeli kvantum internet, a javasolt globális hálózat eszközök adatátvitelre kódolt egyetlen fotonok és más kvantumrészecskék., Ezeket az adatokat egy részecske kvantum tulajdonságaiban, például egy foton polarizációjában ábrázolják. A klasszikus adatoktól eltérően, amelyeket csak 0 vagy 1-ként lehet ábrázolni, az úgynevezett kvantuminformációk olyan értékeket vesznek fel, amelyek 0 és 1 súlyozott kombinációi, amelyek új, potenciálisan erősebb számítási algoritmusokat és új titkosítási protokollokat tesznek lehetővé.

mérnöki kihívások bővelkedik a kvantum internet, mint például a problémák jel elvesztése, mondja Kuo. De a kutatók—és kormányaik-ambiciózus terveket fogalmaztak meg., 2016-ban az Európai Unió 1 milliárd eurós kvantumtechnológiai kezdeményezést indított. Ez az augusztus, a MINKET megállapított öt kvantum kutatási központok gyorsuló kvantum-technológia fejlesztési, akár $625 millió megígérte, a következő öt évben. Pan Jian-Wei fizikus, aki vezette a 100 millió dolláros kínai kvantumtechnológiai műhold 2016-os elindítását és annak későbbi projektjeit, leírta azt a célt, hogy 2030-ra globális kvantum internetet építsenek.,

sok szakértő az egy foton technológia jelenlegi korszakát” második kvantumforradalomnak ” nevezte, egy paradigmaváltásnak, ahol a tudósok nemcsak megértik a kvantummechanika—összefonódás, szuperpozíció és hullám-részecske kettősség—ellenintuitív elveit, hanem kihasználhatják azokat a technológiákban. A foton már nem csupán tanulmány tárgya, hanem eszköz.

Tehát mi akkor egy foton? Kuo körkörös választ ad. “A foton az egyetlen foton detektor által regisztrált kattintás” – mondja.

A Kuo-knál használt Vaguer szavakat használták a foton leírására., Ez egy hullám és egy fényrészecske, vagy az elektromágneses mező kvantálása. Vagy, “fogd be és számold ki”, egy olyan kifejezés, amely mindenki számára ismerős, aki zavarba ejtette a kvantummechanikát.

“bajba kerülhet, ha túl sok valóságot ad a fotonnak” – mondja Alan Migdall, a NIST fizikusa.

“az emberek 100 plusz évig vitatkoztak róla” – mondja Aephraim Steinberg fizikus, a Torontói Egyetem fizikusa. “Nem hiszem, hogy konszenzusra jutottunk.”

A fizikusok a fotonról vitatkoztak, amint felfedezték., Azok a tudósok, akik a részecskéket elképzelték, szkeptikusak voltak abban, hogy alapvetően léteztek a természetben. Elmagyarázni, különben zavaró kísérleti adatok tekintetében a kapcsolatot, hogy egy test hőmérséklete, hogy a kibocsátott sugárzás, 1900-ban a német fizikus, Max Planck javasolta, hogy a sugárzás jön a diszkrét mennyiségek, vagy quanta. Megszületett a foton fogalma. De Planck nem értette az ötlet gazdagságát. Később az áttörést “kétségbeesésnek” nevezte—megalapozatlan trükk a matematika kidolgozásához.,

Albert Einstein is ellenállt a fotonelméletnek, amelyet segített fejleszteni. Különösen zavarta az összefonódás, az a gondolat, hogy két részecske összefonódhat a sorsokkal, még akkor is, ha egymástól távol vannak egymástól. Az elmélet sugallta, hogy például, ha te mért a polarizáció egy foton egy pár kusza, akkor azonnal is tudom, hogy a polarizáció a másik, még akkor is, ha a két részecske egymástól, hogy ellentétes a naprendszerben., Az összefonódás azt sugallta, hogy az objektumok önkényesen messziről befolyásolhatják egymást, úgynevezett nonlocality, amelyet Einstein “kísérteties akciónak nevezett távolról.”Előnyben részesítve egy olyan valóságot, ahol az objektumoknak közel kell lenniük ahhoz, hogy befolyásolják egymást, úgy vélte, hogy a kvantummechanika elmélete hiányos. “Ez minden bizonnyal emésztési zavarokat okozott Einsteinnek” – mondja Migdall.

évtizedek óta a fotonnal kapcsolatos érvek nagyrészt a gondolatkísérletek birodalmába kerültek, mivel technikailag lehetetlen volt ezeket az ötleteket tesztelni., Az utóbbi időben a vita szélesebb körben terjedt el a fizikai közösségben, mivel az egy fotonforrások és detektorok egyre jobban és szélesebb körben hozzáférhetővé válnak Steinberg szerint. “Meg tudjuk csinálni ezeket a kísérleteket, ahelyett, hogy csak elképzeljük őket, mint Schrödinger macskája” – mondja.

például a fizikusok mindent megerősítettek, de megerősítették a összefonódás létezését. Több évtizedes kísérletek, az úgynevezett tesztek Bell egyenlőtlenség, most erősen azt mutatják, hogy Einstein tévedett—, és hogy a világegyetem nem helyi.,

Ezek a tesztek John Stewart Bell brit fizikus által 1964-ben kidolgozott kísérleti kereten alapulnak. Az elméleti munkában Bell azt mutatta, hogy ha megismétli a méréseket állítólag összefonódott részecskéken, a statisztikák feltárhatják, hogy a fotonok valóban nem lokálisan befolyásolják—e egymást, vagy ha egy ismeretlen mechanizmus—általában “helyi rejtett változóként”ismert-a cselekvés illúzióját hozza létre távolról. A gyakorlatban, a tesztek nagyrészt részt felosztása pár kusza fotonok mentén két különböző utak mérésére a polarizációk két különböző detektorok.,
A fizikusok az 1970-es évek óta végeznek Bell-teszteket, minden közzétett kísérlet szerint a fotonok távolról is kísértetiesen működhetnek-magyarázza David Kaiser, a Massachusetts Institute of Technology fizikusa. Az egyhangú eredmények ellenére azonban ezek a korai kísérletek nem voltak meggyőzőek:a technológiai hiányosságok azt jelentették, hogy kísérleteik három lehetséges tervezési korlátozástól vagy kiskapuktól szenvedtek.

az első kiskapu, a helység kiskapu néven ismert, abból ered, hogy a két polarizációs érzékelő túl közel van egymáshoz., Elméletileg lehetséges volt, hogy az egyik detektor közvetlenül a kusza fotonok kibocsátása előtt továbbította a jelet a másik detektornak, befolyásolva a mérés eredményét helyben.

a második kiskapu, a tisztességes mintavételi kiskapu, a rossz minőségű egy fotonérzékelők eredménye. A szakértők azzal érveltek, hogy az érzékelők elfoghatták a fotonok elfogult részhalmazát, torzítva a statisztikákat. A vágy, hogy bezárja ezt a kiskaput, mondja Migdall, ösztönözte a jobb egy foton detektorok fejlesztését, ugyanazt, amelyet ma már rutinszerűen használnak a kvantumtechnológiákban.,

a harmadik kiskapu, a választás szabadsága kiskapu a polarizációs detektor beállításaihoz kapcsolódik. Ahhoz, hogy valóban elfogulatlan statisztikákat kapjunk számos polarizációs mérésről, a polarizációs detektor tájolását véletlenszerűen vissza kell állítani minden egyes méréshez. Nehéz garantálni a véletlenszerűséget, mivel a kutatók a korai kísérletek során gondosan visszaállítják az érzékelőket kézzel.

a legutóbbi kísérletek mindhárom kiskaput bezárták, bár nem egyszerre egy tesztben, Kaiser szerint., 2015-ben a Ronald Hanson fizikus által a Delft Technológiai Egyetemen vezetett csapat Bell tesztet végzett, amely először zárta le a tisztességes mintavételi és helységi kiskapukat, bár fotonok helyett összefonódott elektronokat használt.

közzététel 2018-ban a spanyol Fotonikai Tudományok Intézetének tudósai 100 000 önkéntest bíztak meg egy videojáték lejátszására véletlenszerű számok létrehozására, amelyeket a tudósok a Bell tesztdetektorok beállítására használtak, hogy korlátozzák a választás szabadságát.kiskapu.,

Kaiser dolgozott egy másik kísérlet közzétett 2018-ban nevezte a “Kozmikus Bell Teszt”, ami zárva van a településen kiskapu pedig erősen korlátozza a szabadságot-a-választás kiskaput, azáltal, hogy a polarizáció érzékelő orientáció egy véletlenszám-generátor alapján a gyakoriság a kibocsátott fény a két csillag 600-1,900 fényévnyire, ill.

Az eredmények erősen támogatják az összefonódás nem lokálisságát. “Az emésztési zavar, amelyet Einsteinnek a kvantummechanikával volt-ha ma körül lenne, azt mondanád neki, hogy csak foglalkoznia kell vele” – mondja Migdall.,

Alexandra Landsman, az Ohio Állami Egyetem fizikusa a fotont “energia kvantumaként” írja le,amely szorosan illeszkedik a fizikusok eredeti koncepciójához a részecske. Egy 1905-ös tanulmányban Einstein a fényt a frekvenciájával arányos diszkrét energiacsomagokként írta le, hogy megmagyarázza az úgynevezett fotoelektromos hatást. A tudósok megfigyelték, hogy az anyagok elnyelik a fényt az elektronok kibocsátására, de csak akkor, ha a fény frekvenciája rövidebb, mint valamilyen küszöbérték., Einstein magyarázata, amelyért 1921-ben Nobel-díjat kapott, segített elindítani a kvantumelmélet fejlődését.

az új lézertechnológia lehetővé tette a kutatók számára, hogy részletesebben megvizsgálják a fotoelektromos hatást. A 2001-ben feltalált Attosecond lézerek kevesebb fényimpulzusokat bocsátanak ki, mint egy második hosszú négymilliód, amely lehetővé teszi a fizikusok számára, hogy megfigyeljék a kvantum-skála működését, mint egy rekord zársebességgel rendelkező kamera., Különösen a fizikusok ultragyors lézereket használnak a fotoelektromos hatás időzítésére: ha egy foton egy atomra vagy molekulára ütközik, mennyi ideig tart az elektron kilökése? “A múltban az emberek azt feltételezték, hogy ez a folyamat azonnal megtörténik” – mondja Landsman. “Nem volt mód arra, hogy kísérletileg foglalkozzunk ezzel a kérdéssel.”

2010-ben a Krausz Ferenc fizikus által vezetett csapat, majd a Bécsi Műszaki Egyetemen végzett egy kísérletet, amely kimutatta, hogy az atomból történő elektron kilökődés időbe telik., Bár nem mérték meg az abszolút időt, felismerték, hogy körülbelül 20 attoseconds hosszabb ideig tart, amíg egy elektron elhagyja a 2p orbitált, szemben a neon atom 2S orbitálisával. Más csoportok későbbi kísérletei időzítették az elektronkibocsátást olyan molekulákban, mint a víz és a dinitrogén-oxid.

Landsman, egy teoretikus, azon dolgozik, hogy megértse, miért hagyják az elektronok bizonyos molekulákat gyorsabban, mint mások. Egyes molekulák például az elektronot olyan térre korlátozzák, hogy az elektron álló hullámot képezzen., Ez az állapot, az alakrezonancia néven ismert, ideiglenesen csapdába ejti az elektronot, lelassítja a menekülését. Végül, Landsman azt akarja, hogy tisztázza a tényezőket, amelyek késleltetik atomok és molekulák felszabadító az elektron nullára, hogy mennyi ideig a foton és elektron találkozik egymással. “Ezek a kísérletek több betekintést nyújtanak nekünk arról, hogy egy foton hogyan kölcsönhatásba lép egy elektronral” – mondja.

Zlatko Minev azonban nem gondolja, hogy a foton az energia kvantuma. Minev, az IBM fizikusa kutatja, hogyan lehet kvantum számítógépet építeni., Ebben az új technológiai kontextusban azt mondja, hogy a fotonok másképp jelennek meg.

Minev kísérleteket végez szupravezető vezetékekből készült áramkörökön, amelyek qubitokként használhatók, amelyek kvantumszámítógépek építőkövei. Ezeket az áramköröket úgy tervezték, hogy egy meghatározott energia egyetlen fotonját elnyeljék, ahol a foton abszorpciója egy kvantumszámítógépben az 1 állapotot képviselheti. Miután a qubit elnyel egy fotont, a válasz megváltozik, így már nem fogja elnyelni az energia fotonjait.,

a foton mint “energia kvantum” hagyományos elképzelése nem illeszkedik ezekhez az áramkörökhöz, mondja Minev, aki a rendszereket kvantum-nemlineáris oszcillátoroknak nevezi. “Megkérdezheted, mit jelent két foton az oszcillátoromban? Két energiaegység?”azt mondja. “Ebben az esetben nem, mert az oszcillátor minden extra fotonja valójában eltérő mennyiségű energiával rendelkezik. Ebben az esetben az energia nem határozza meg a fotont.”

tehát hogyan írja le a fotont? “Nem vagyok biztos benne, hogy egy mondatos választ tudok adni” -mondja Minev. “Jelenleg újraértékelem a saját megértésemet.,”Jelenleg úgy gondolja, hogy a foton egy “cselekvés kvantuma”, ahol a “cselekvés” egy absztrakt mennyiségre utal, amely leírja rendszerének megengedett viselkedését.

ahogy a fizikusok újraértékelik az alapokat, ezek az új kísérletek megvilágítják az alapvető tudomány és az alkalmazások közötti kapcsolatot. Kuo kvantuminternetes technológiája megosztja az ősöket a Bell-tesztekben használt hardverrel. Minev nemlineáris oszcillátoráról szóló tanulmányai segítenek neki módszereket kidolgozni a kvantumszámítógépek hibáinak kijavítására., Landsman kutatásai a molekulák fotoelektromos hatásáról kideríthetik az elektronikus tulajdonságaira vonatkozó nyomokat, amelyek végül új utat biztosíthatnak a tudósok számára a kívánt specifikációjú anyagok tervezéséhez. Migdall azt mondja, hogy a kutatók Bell teszteket használnak a véletlenszerűség ellenőrzésére a véletlenszám-generátorok új modelljeiben, amelyek kihasználják az összefonódott részecskéket.

mégis, a foton valódi természete elkerüli a fizikusokat. “A tudatos gondolkodás mind az ötven éve nem hozott közelebb a kérdésre adott válaszhoz: mi a könnyű kvantum?”Einstein egy 1951-es levélben írt., “Természetesen ma minden gazember azt hiszi, hogy tudja a választ, de megtéveszti magát.”

lehet, hogy tévedett a összefonódással kapcsolatban, de később még hét évtizedes kollektív komorodás után a hangulat továbbra is fennáll.

Sophia Chen a WIRED, a Science és a Physics Girl tagja. Ő egy szabadúszó író székhelye Columbus, Ohio.

élvezze ezt a cikket?, Get similar news in your inbox

Get more stories from SPIE