fotonet er kanskje den mest kjente av elementærpartikler. Reiser i lysets hastighet, partikler bombardere oss daglig fra solen, månen og stjernene. For mer enn et århundre, forskere og ingeniører har brukt dem i samlet for å belyse våre byer og nå, skjermene våre.

Forskere i dag kan styre fotoner med mer finesse enn noen gang før. På National Institute of Standards and Technology (NIST) i Maryland, fysiker Paulina Kuo lager og manipulerer fotoner individuelt., Ved å belyse spesialdesignede krystaller med laser lys i hennes lab, Kuo produserer twin fotoner, som hun kan videre skille i enkelt fotoner. Ledet dem mot visse typer materiale, som absorberer partikkelen for å produsere fotoner med forskjellige farger, kan hun effektivt endre fargen på et foton og samtidig bevare den informasjonen som er kodet i det.

For eksempel, hun designet en krystall til å doble frekvensen av en inngang foton, slik at konvertering mellom rødt og infrarødt lys. «Du kan fusjonere to fotoner sammen eller dele opp ett foton i to,» sier hun., «Eller enda høyere ordens prosesser. Du kan fusjonere tre fotoner i ett, eller dele opp ett foton i tre.»Utfyller disse teknikkene hun bruker state-of-the-art enkelt-foton detektorer, laget av superledende kabler som blir nonsuperconducting når de absorberer en enkelt foton. Disse typer detektorer gi svært nøyaktige tellinger, oppdage fotoner med opp til 99 prosent effektivitet.

Dette enkelt-foton-teknologien vil danne ryggraden i en fremtidig quantum internett, et forslag globalt nettverk av enheter for overføring av data som er kodet i enkelt fotoner og andre quantum partikler., Disse dataene vil være representert i en partikkel ‘ s quantum egenskaper, for eksempel et foton er polarisering. I motsetning til klassisk data, som kan bare være representert som 0 eller 1, såkalte quantum informasjon tar på verdier som er vektet kombinasjoner av 0 og 1, som gjør at nye, potensielt mer kraftig computational algoritmer og nye kryptering protokoller.

tekniske utfordringene florerer for quantum internett, for eksempel problemer med signal tap, sier Kuo. Men forskere—og deres regjeringer—har lagt ambisiøse planer., I 2016, den Europeiske Union begynte en 1-milliarder euro quantum teknologier initiativ. Denne August, USA etablert fem quantum forskningssentre for akselererende quantum teknologiutvikling med opp til $625 millioner lovet i løpet av de neste fem årene. Fysiker Pan Jian-Wei, som ledet den 2016 lanseringen av en $100 millioner Kinesiske quantum satellitt-teknologi og den påfølgende prosjekter, har beskrevet et mål om å bygge en global quantum internett innen 2030.,

Mange eksperter har kalt den aktuelle epoken av enkelt-foton-teknologi som «second quantum revolusjon,» et paradigmeskifte der forskere ikke bare forstå counterintuitive prinsipper i kvantemekanikk—forviklinger, superposisjon, og bølge-partikkel dualitet—men kan utnytte dem i teknologi. Fotonet er ikke lenger bare et objekt for studier, men et verktøy.

Så hva er da et foton? Kuo gir en sirkulær respons. «Et foton er deretter registrert ved et enkelt foton å løse detektor,» sier hun.

Vaguer ord enn Kuo har blitt brukt for å beskrive fotonet., Det er en bølge og en partikkel av lys, eller det er en kvantisering av det elektromagnetiske felt. Eller, «Shut up og regne,» et uttrykk som er kjent for alle som har undret seg over quantum mechanics.

«kan Du få problemer hvis du gir fotonet for mye virkelighet, sier fysikeren Alan Migdall av NIST.

«Folk har kranglet om det for 100 år, sier fysiker Aephraim Steinberg av Universitetet i Toronto. «Jeg tror ikke vi har kommet til en enighet.»

Fysikere begynte å krangle om fotonet så snart de oppdaget det., De aller forskere som unnfanget av partikler var skeptisk til at de fundamentalt eksisterte i naturen. For å forklare ellers confounding eksperimentelle data om forholdet av et objekt er temperatur til sin slippes ut stråling, i 1900 den tyske fysikeren Max Planck foreslått at strålingen kommer i diskrete mengder, eller quanta. Begrepet fotonet ble født. Men Planck ikke forstå dybden av hans idé. Han ble senere beskrevet sitt gjennombrudd som «en handling av desperasjon»—en ubekreftede triks for å gjøre matte jobbe ut.,

Albert Einstein, også mot konsekvensene av fotonet teori om at han bidro til å utvikle. Han var særlig plaget av forviklinger, ideen om at to partikler kan ha skjebner bundet sammen, selv når de er separert langt fra hverandre. Teorien underforstått, for eksempel at hvis du målte polarisering av ett foton i et sammenfiltret par, ville du umiddelbart vet også polariseringen av andre, selv om de to partikler har blitt skilt til motsatt ende av solsystemet., Forviklinger foreslått at objekter kan påvirke hverandre fra vilkårlig langt unna, kjent som nonlocality, som Einstein latterliggjort som «skumle action på avstand.»Foretrakk en virkelighet hvor objekter må være i nærheten av å utøve innflytelse på hverandre, mente han at kvantemekanikken teori var ufullstendig. «Det er klart ga Einstein dårlig, sier Migdall.

For flere tiår, argumenter over foton var i stor grad henvist til riket tanke-eksperimenter, som det var teknologisk umulig å teste disse ideene., Nylig debatten har trillet inn i fysikk samfunnet mer generelt, som enkelt foton kilder og detektorer bli bedre og mer allment tilgjengelig, i henhold til Steinberg. «Vi kan gjøre eksperimenter i stedet for bare å forestille seg dem, som Schrödinger’ s katt,» sier han.

For eksempel, fysikere har alt, men bekreftet eksistensen av forviklinger. Tiår med eksperimenter, kjent som tester av Bell ‘ s ulikhet, nå sterkt tyder på at Einstein tok feil—og at vårt univers er nonlocal.,

Disse testene er basert på en eksperimentell rammeverk utviklet av den BRITISKE fysikeren John Stewart Bell i 1964. I teoretisk arbeid, Bell viste at hvis du gjenta målinger på tilsynelatende fanget partikler, statistikk kunne avsløre om fotoner virkelig påvirker hverandre nonlocally, eller hvis en ukjent mekanisme—kjent generelt som en «lokal skjulte variable»—skaper illusjonen av tiltak på avstand. I praksis tester har i stor grad involvert splitte opp par av viklet seg inn fotoner sammen to forskjellige måter å måle sine polarizations på to forskjellige detektorer.,
Fysikere har vært utføre Bell tester siden 1970-tallet, med alle publiserte eksperimenter indikerer fotoner kan spookily handle fra en avstand, som fysikeren David Kaiser av Massachusetts Institute of Technology, forklarer han. Imidlertid, til tross for en enstemmig resultater, disse tidlige eksperimenter ble resultatløse: Teknologi mangler ment sine eksperimenter led av tre potensielle design begrensninger, eller smutthull.

Den første smutthull, kjent som lokalitet smutthull, oppstår fra de to polarisering detektorer blir for tett sammen., Teoretisk sett, det var mulig at en detektor kan ha videreformidlet et signal til den andre detektoren rett før viklet seg inn fotoner slippes ut, påvirke utfallet av måling lokalt.

Den andre smutthull, kalt virkelig prøvetaking smutthull, var et resultat av dårlig kvalitet single-foton detektorer. Eksperter hevdet at detektorer kunne ha tatt et skjevt utvalg av fotoner, forskyvning statistikken. Ønsket om å lukke dette smutthull, sier Migdall, har drevet utviklingen av bedre single-foton detektorer, den samme nå som brukes rutinemessig i quantum-teknologi.,

Den tredje smutthull, frihet-av-valg smutthull, er knyttet til innstillingene for polarisering detektor. For å få virkelig objektive statistikker på et stort antall av polarisering målinger, orientering av polarisering detektoren må være tilfeldig reset for hver måling. Det er vanskelig å garantere tilfeldigheten, med forskere møysommelig tilbakestille detektorer for hånd i tidlige eksperimenter.

Nylige eksperimenter har lukket alle tre smutthull, om enn ikke samtidig i en test, i henhold til Kaiser., I 2015, et team ledet av en fysiker Ronald Hanson ved Delft University of Technology utført en Bjelle test som lukket virkelig prøvetaking og lokalitet smutthull for første gang, riktignok med blandet elektroner snarere enn fotoner.

– Publisering i 2018, et team av forskere ved Institutt for Fotonikk Sciences i Spania belastet 100 000 frivillige til å spille et spill for å generere tilfeldige tall, som forskere som brukes til å angi sine Bell teste detektorer for å begrense frihet-av-valg smutthull.,

Kaiser jobbet på et annet eksperiment publisert i 2018, kalt den «Kosmiske Bell-Test,» som lukket lokaliteten smutthull og tett begrenset frihet-av-valg smutthull ved å sette sine polarisering detektor orientering ved hjelp av en tilfeldig nummer generator basert på frekvensen av lyset som avgis fra to stjerner 600 og 1900 lysår unna, henholdsvis.

resultatene understøtter nonlocality av forviklinger. «Det dårlig at Einstein hadde med quantum mechanics—hvis han var rundt i dag, ville du fortelle ham at han ville bare ha til å håndtere det,» sier Migdall.,

Fysiker Alexandra Landsman av Ohio State University beskriver foton som «en quantum of energy», som justerer tett med fysikere’ opprinnelige oppfatninger av partikkelen. I 1905 papir, Einstein beskrevet lys som diskret pakker av energi i forhold til sin frekvens for å forklare den såkalte fotoelektrisk effekt. Forskere hadde observert at materialet absorberer lys for å løse ut elektroner, men bare når frekvensen av lys er kortere enn noen terskelverdi., Einsteins forklaring, som han ble tildelt nobelprisen i 1921, bidratt til å kickstart utviklingen av kvanteteorien.

Ny laser teknologi har gjort det mulig for forskere å besøke fotoelektrisk effekt i mer detalj. Attosecond lasere, oppfunnet i 2001, levere pulser av lys mindre enn en quadrillionth av et sekund lang som gjør at fysikere til å observere quantum-skala handling som et kamera med posten lukkerhastighet., Spesielt fysikere bruker lynrask lasere til annen fotoelektrisk effekt: når et foton impinges på et atom eller molekyl, hvor lang tid tar det elektronet med å bli kastet ut? «Folk i det tidligere antatt at denne prosessen skjer umiddelbart, sier Landsman. «Det var ingen måte å løse dette spørsmålet eksperimentelt.»

I 2010, et team ledet av en fysiker Ferenc Krausz, så i Wien Universitet for Teknologi, utført et eksperiment som viser at electron utstøting fra et atom tar tid., Mens de ikke måle absolutt tid, de kunne skjelne at det tok ca 20 attoseconds lenger for et elektron å gå fra 2p orbital versus 2s orbital av en neon atom. Senere eksperimenter av andre grupper har tidsbestemt elektron-utslipp i molekyler, slik som vann og lystgass.

Landsman, en teoretiker, arbeider med å forstå hvorfor elektroner la visse molekyler raskere enn andre. Enkelte molekyler, for eksempel begrense elektronet til et mellomrom slik at elektronet former en stående bølge., Denne tilstanden er kjent som form resonans, midlertidig feller electron, bremse ned sin flukt. Til slutt, Landsman ønsker å belyse alle faktorer som forsinker atomer og molekyler fra å slippe electron å fokusere på hvor lenge foton og elektron møte hverandre. «Disse eksperimentene gir oss mer innsikt i hvordan et foton samhandler med en electron,» sier hun.

Zlatko Minev, men tror ikke at et foton er et kvantesprang av energi. Minev, en fysiker ved IBM, forskning på hvordan å bygge en kvante-maskin., I denne nye teknologiske sammenheng, sier han, fotoner synes å manifestere seg annerledes.

Minev går eksperimenter på kretser laget av superledende kabler som kan brukes som qubits, som er byggesteinene i kvante-datamaskiner. Disse banene er designet for å absorbere et enkelt foton av en bestemt energi, der absorpsjonen av et foton kan representere 1 staten i en kvante-maskin. Når qubit absorberer ett foton, sitt svar endringer, slik at det ikke lenger vil absorberer fotoner av energien.,

Den konvensjonelle ideen om et foton som en «quantum of energy» ikke passer i disse kretser, sier Minev, som refererer til systemer som quantum ikke-lineære oscillatorer. «Du kan spørre, hva betyr det å ha to fotoner i min oscillator? Er det to enheter av energi?»sier han. «I dette tilfellet, er det ikke, fordi hver ekstra foton i oscillator faktisk har en annen mengde energi. Energien ikke angi foton i dette tilfellet.»

Så hvordan gjør han beskriver fotonet? «Jeg er ikke sikker på om jeg kan gi deg en én setning svar,» sier Minev. «Jeg er for tiden reevaluating min egen forståelse.,»For tiden, han tror at fotonet er en «quantum of action», der «handling» refererer til et abstrakt kvantum som beskriver tillatt oppførselen hans system.

Som fysikere revurdere grunnleggende, disse nye eksperimenter belyse sammenhengen mellom grunnleggende realfag og programmer. Kuo ‘ s quantum internett-teknologi aksjer opphav med maskinvare som brukes i Bell tester av forviklinger. Minev er studier av sin ikke-lineære oscillator hjelpe ham med å utvikle metoder for å korrigere feil i kvante-datamaskiner., Landsman forskning på fotoelektrisk effekt i molekyler som kan avsløre ledetråder om sin elektroniske egenskaper, som til slutt kan gi forskere en ny vei for å designe materialer med ønskede spesifikasjoner. Migdall sier at forskere bruker Bell tester for å bekrefte tilfeldigheten i nye modeller av tilfeldig tall generatorer som utnytter seg fast partikler.

Likevel, den sanne naturen av fotonet unnviker fysikere. «Alle femti år med bevisst grubling har brakt meg nærmere svaret på spørsmålet: Hva er lys quanta?»Einstein skrev i 1951 brev., «Selvfølgelig i dag hver rascal tror han vet svaret, men han er deluding seg selv.»

Han kan ha vært feil om forviklinger, men syv flere tiår av kollektive rugende senere, er sentimentet fortsatt innehar.

Sofia Chen bidrar til KABLET, Vitenskap og Fysikk Jente. Hun er en frilans skribent basert i Columbus, Ohio.

Nyt denne artikkelen?, Get similar news in your inbox

Get more stories from SPIE