het foton kan de meest bekende elementaire deeltjes zijn. Met de snelheid van het licht bombarderen de deeltjes ons dagelijks vanuit de zon, de maan en de sterren. Meer dan een eeuw lang hebben wetenschappers en ingenieurs ze geaggregeerd gebruikt om onze steden en nu onze schermen te verlichten.

onderzoekers van vandaag kunnen fotonen met meer finesse dan ooit tevoren controleren. Aan het National Institute of Standards and Technology (NIST) in Maryland creëert en manipuleert natuurkundige Paulina Kuo individueel fotonen., Door in haar lab op maat ontworpen kristallen met laserlicht te verlichten, produceert Kuo twee fotonen, die ze verder kan scheiden in enkele fotonen. Door ze te richten op bepaalde materialen, die het deeltje absorberen om fotonen van verschillende kleuren te produceren, kan ze effectief de kleur van een foton veranderen met behoud van de daarin gecodeerde informatie.

bijvoorbeeld, she ontwierp een kristal om de frequentie van een ingangsfoton te verdubbelen, waardoor conversie tussen rood en infrarood licht mogelijk werd. “Je kunt twee fotonen samenvoegen, of een foton in twee splitsen,” zegt ze., “Of zelfs hogere orde processen. Je kunt drie fotonen samenvoegen tot één, of één foton in drie splitsen.”Als aanvulling op deze technieken, maakt ze gebruik van state-of-the-art single-photon detectors, gemaakt van supergeleidende draden die niet supergeleidend worden wanneer ze een enkel foton absorberen. Deze detectoren leveren zeer nauwkeurige tellingen en detecteren fotonen met een efficiëntie tot 99 procent.

deze single-photon technologie zal de ruggengraat vormen van een toekomstig quantum internet, een voorgesteld wereldwijd netwerk van apparaten voor het verzenden van gegevens gecodeerd in enkele fotonen en andere kwantumdeeltjes., Deze gegevens worden weergegeven in de kwantumeigenschappen van een deeltje, zoals de polarisatie van een foton. In tegenstelling tot klassieke gegevens, die alleen kunnen worden weergegeven als 0 of 1, zogenaamde quantum informatie neemt waarden die gewogen combinaties van 0 en 1, die nieuwe, potentieel krachtiger computationele algoritmen en nieuwe encryptie protocollen mogelijk maakt.

Engineering uitdagingen in overvloed voor het quantum internet, zoals problemen met signaalverlies, zegt Kuo. Maar onderzoekers—en hun regeringen-hebben ambitieuze plannen gemaakt., In 2016 is de Europese Unie begonnen met een 1 miljard euro quantum technologies-initiatief. In augustus hebben de VS vijf quantum onderzoekscentra opgericht voor het versnellen van de ontwikkeling van kwantumtechnologie met tot $ 625 miljoen beloofd in de komende vijf jaar. Natuurkundige Pan Jian-Wei, die de 2016 lancering van een $100 miljoen Chinese kwantumtechnologie satelliet en de daaropvolgende projecten leidde, heeft beschreven een doel van het bouwen van een wereldwijd quantum internet door 2030.,veel experts hebben het huidige tijdperk van de single-fotontechnologie bestempeld als de” tweede kwantumrevolutie”, een paradigmaverschuiving waarbij wetenschappers niet alleen de contra—intuïtieve principes van de kwantummechanica begrijpen-verstrengeling, superpositie en golfpartikeldualiteit—maar ze ook kunnen benutten in technologieën. Het foton is niet langer slechts een object van studie, maar een hulpmiddel.

Wat is dan een foton? Kuo geeft een cirkelvormige reactie. “Een foton is de klik geregistreerd door een single-photon resolving detector,” zegt ze.

vagere woorden dan Kuo ‘ s zijn gebruikt om het foton te beschrijven., Het is een golf en een lichtdeeltje, of het is een kwantisatie van het elektromagnetisch veld. Of, “hou je mond en bereken,” een uitdrukking die bekend is bij iedereen die verbaasd is over kwantummechanica.

“je kunt in de problemen komen als je het foton te veel realiteit geeft”, zegt natuurkundige Alan Migdall van NIST.”mensen ruziën er al meer dan 100 jaar over”, zegt natuurkundige Aephraim Steinberg van de Universiteit van Toronto. “Ik denk niet dat we tot een consensus zijn gekomen.”

natuurkundigen begonnen ruzie te maken over het foton zodra ze het ontdekten., De wetenschappers die de deeltjes bedacht waren sceptisch dat ze fundamenteel in de natuur bestonden. Om andere verwarrende experimentele gegevens over de relatie van de temperatuur van een object met de uitgezonden straling te verklaren, stelde de Duitse natuurkundige Max Planck in 1900 voor dat straling in discrete hoeveelheden, of quanta, komt. Het concept van het foton was geboren. Maar Planck begreep de diepgang van zijn idee niet. Later beschreef hij zijn doorbraak als “een daad van wanhoop”—een ongefundeerde truc om de wiskunde uit te werken.,ook Albert Einstein verzette zich tegen de implicaties van de fotonentheorie die hij hielp ontwikkelen. Hij had vooral last van verstrengeling, het idee dat twee deeltjes met elkaar verweven lot kunnen hebben, zelfs als ze ver van elkaar gescheiden zijn. De theorie impliceerde bijvoorbeeld dat als je de polarisatie van het ene foton in een verstrengeld paar zou meten, je meteen ook de polarisatie van het andere foton zou kennen, zelfs als de twee deeltjes gescheiden zijn tot de tegenovergestelde uiteinden van het zonnestelsel., Verstrengeling suggereerde dat objecten elkaar kunnen beïnvloeden van willekeurig ver weg, bekend als nonlokaliteit, die Einstein bespotte als “spookachtige actie op afstand.”Hij gaf de voorkeur aan een realiteit waar objecten in de nabijheid moeten zijn om invloed op elkaar uit te oefenen, en geloofde dat de kwantummechanica theorie onvolledig was. “Het gaf Einstein zeker indigestie,” zegt Migdall.gedurende decennia werden argumenten over het foton grotendeels gedegradeerd tot het domein van gedachte-experimenten, omdat het technologisch onmogelijk was om deze ideeën te testen., Onlangs is het debat in de natuurkundegemeenschap meer in het algemeen doorgedrongen, omdat single-fotonbronnen en detectoren beter en breder toegankelijk worden, aldus Steinberg. “We kunnen deze experimenten doen in plaats van ze alleen maar voor te stellen, zoals de kat van Schrödinger”, zegt hij.

bijvoorbeeld, natuurkundigen hebben het bestaan van verstrengeling bijna bevestigd. Tientallen jaren van experimenten, bekend als tests van Bell ‘ s ongelijkheid, geven nu sterk aan dat Einstein het mis had—en dat ons universum niet lokaal is.,deze tests zijn gebaseerd op een experimenteel kader dat in 1964 door de Britse natuurkundige John Stewart Bell werd ontworpen. In theoretisch werk toonde Bell aan dat als je metingen herhaalt op ogenschijnlijk verstrengelde deeltjes, de statistieken kunnen onthullen of de fotonen elkaar werkelijk nonlokaal beïnvloeden, of dat een onbekend mechanisme—algemeen bekend als een “lokale verborgen variabele”—de illusie van actie op afstand creëert. In de praktijk, hebben de tests grotendeels gesplitst omhoog paren van verstrengelde fotonen langs twee verschillende wegen om hun polarisaties bij twee verschillende detectoren te meten.,natuurkundigen voeren al sinds de jaren 70 Bell-tests uit, waarbij alle gepubliceerde experimenten erop wijzen dat fotonen op afstand spookachtig kunnen werken, zoals natuurkundige David Kaiser van het Massachusetts Institute of Technology uitlegt. Ondanks de unanieme resultaten waren deze vroege experimenten echter niet overtuigend: technologische tekortkomingen betekenden dat hun experimenten leden aan drie potentiële ontwerpbeperkingen, of mazen in de wet.

de eerste Maas in de wet, bekend als de Local Maas in de wet, komt voort uit het feit dat de twee polarisatiedetectors te dicht bij elkaar staan., Theoretisch, was het mogelijk dat één detector een signaal aan de andere detector kon hebben doorgegeven vlak voordat de verstrengelde fotonen worden uitgezonden, die de uitkomst van de meting lokaal beà nvloeden.

de tweede Maas in de wet, de zogenaamde Fair sampling Maas in de wet, was het gevolg van single-photon detectoren van slechte kwaliteit. Experts betoogden dat de detectoren een bevooroordeelde deelgroep van de fotonen konden hebben gevangen, waardoor de statistieken scheef werden getrokken. De wens om deze maas in de wet te dichten, zegt Migdall, heeft geleid tot de ontwikkeling van betere single-foton detectoren, dezelfde nu routinematig gebruikt in kwantumtechnologieën.,

de derde Maas in de wet, de keuzevrijheid, is gerelateerd aan de instellingen van de polarisatiedetector. Om echt onbevooroordeelde statistieken te krijgen over een groot aantal polarisatiemetingen, moet de oriëntatie van de polarisatiedetector willekeurig worden gereset voor elke meting. Het is moeilijk om willekeur te garanderen, met onderzoekers nauwgezet resetten van de detectoren met de hand in vroege experimenten.

recente experimenten hebben alle drie de mazen gedicht, zij het niet gelijktijdig in één test, volgens Kaiser., In 2015 voerde een team onder leiding van natuurkundige Ronald Hanson aan de TU Delft een Kloktest uit die de Fair sampling en local mazen voor het eerst sloot, zij het met verstrengelde elektronen in plaats van fotonen.

Publishing in 2018 vroeg een team van wetenschappers aan het Institute of Photonics Sciences in Spanje 100.000 vrijwilligers om een videospel te spelen om willekeurige getallen te genereren, die de wetenschappers gebruikten om hun Beltestdetectors in te stellen om de keuzevrijheid te beperken.,

Kaiser werkte aan een ander experiment dat in 2018 werd gepubliceerd, genaamd De “Cosmic Bell Test”, die de lokale Maas in de wet sloot en de keuzevrijheid sterk beperkte door de oriëntatie van de polarisatiedetector in te stellen met behulp van een random number generator gebaseerd op de frequentie van het licht dat wordt uitgezonden door twee sterren op respectievelijk 600 en 1.900 lichtjaar afstand.

de resultaten ondersteunen sterk de nonlokaliteit van verstrengeling. “De indigestie die Einstein had met kwantummechanica—als hij er vandaag was, zou je hem vertellen dat hij er gewoon mee te maken zou hebben,” zegt Migdall.,natuurkundige Alexandra Landsman van de Ohio State University beschrijft het foton als” een kwantum van energie”, die nauw aansluit bij de oorspronkelijke opvattingen van natuurkundigen over het deeltje. In een paper uit 1905 beschreef Einstein licht als discrete energiepakketten die evenredig zijn aan de frequentie om het zogenaamde foto-elektrisch effect te verklaren. Wetenschappers hadden waargenomen dat materialen licht absorberen om elektronen uit te werpen, maar alleen wanneer de frequentie van het licht korter is dan een bepaalde drempelwaarde., Einsteins verklaring, waarvoor hij in 1921 de Nobelprijs kreeg, hielp de ontwikkeling van de kwantumtheorie aan te zwengelen.

nieuwe lasertechnologie heeft onderzoekers in staat gesteld om het foto-elektrisch effect in meer detail te herzien. Attoseconde lasers, uitgevonden in 2001, leveren lichtpulsen van minder dan een biljard van een seconde lang die natuurkundigen in staat stellen om kwantum-schaal actie te observeren als een camera met record sluitertijd., In het bijzonder gebruiken natuurkundigen ultrasnelle lasers om het foto-elektrisch effect te timen: wanneer een foton een atoom of molecuul raakt, hoe lang duurt het dan voordat het elektron wordt uitgestoten? “Mensen gingen er in het verleden van uit dat dit proces onmiddellijk plaatsvindt”, zegt Landsman. “Er was geen manier om deze vraag experimenteel aan te pakken.in 2010 voerde een team onder leiding van fysicus Ferenc Krausz, toen aan de Technische Universiteit van Wenen, een experiment uit waaruit bleek dat elektronen uit een atoom tijd kost., Hoewel ze de absolute tijd niet meetden, konden ze onderscheiden dat het ongeveer 20 attoseconden langer duurde voordat een elektron vertrok uit de 2P orbitaal versus de 2s orbitaal van een neonatoom. Latere experimenten door andere groepen hebben de elektronenemissie in moleculen zoals water en lachgas getimed.

Landsman, een theoreticus, probeert te begrijpen waarom elektronen bepaalde moleculen sneller verlaten dan andere. Sommige moleculen, bijvoorbeeld, beperken het elektron tot een ruimte zodanig dat het elektron een staande golf vormt., Deze aandoening, bekend als vormresonantie, houdt het elektron tijdelijk vast en vertraagt zijn ontsnapping. Uiteindelijk wil Landsman alle factoren ophelderen die atomen en moleculen vertragen om het elektron vrij te geven tot nul in op Hoe lang foton en elektron elkaar ontmoeten. “Deze experimenten geven ons meer inzicht in hoe een foton samenwerkt met een elektron,” zegt ze.

Zlatko Minev denkt echter niet dat een foton een kwantum van energie is. Minev, een fysicus bij IBM, onderzoekt hoe je een kwantumcomputer kunt bouwen., In deze nieuwe technologische context lijken fotonen zich anders te manifesteren.

Minev voert experimenten uit op circuits van supergeleidende draden die kunnen worden gebruikt als qubits, bouwstenen van kwantumcomputers. Deze circuits zijn ontworpen om een enkel foton van een bepaalde energie te absorberen, waarbij de absorptie van een foton de 1-toestand in een kwantumcomputer kan vertegenwoordigen. Zodra de qubit een foton absorbeert, verandert zijn reactie, zodat het niet langer fotonen van die energie zal absorberen.,

het conventionele idee van een foton als een “kwantum van energie” past niet in deze circuits, zegt Minev, die naar de systemen verwijst als kwantum niet-lineaire oscillatoren. “Je zou je kunnen afvragen wat het betekent om twee fotonen in mijn oscillator te hebben? Is het twee eenheden energie?”zegt hij. “In dit geval niet, want elk extra foton in de oscillator heeft eigenlijk een andere hoeveelheid energie. De energie definieert in dit geval het foton niet.”

dus hoe beschrijft hij het foton? “Ik weet niet of ik je een antwoord in één zin kan geven”, zegt Minev. “Ik herevalueer momenteel mijn eigen begrip.,”Momenteel denkt hij dat het foton een” kwantum van actie “is, waarbij “actie” verwijst naar een abstracte hoeveelheid die het toegestane gedrag van zijn systeem beschrijft.

terwijl natuurkundigen de basis opnieuw evalueren, belichten deze nieuwe experimenten het verband tussen fundamentele wetenschap en toepassingen. Kuo ‘ s quantum internet technologie deelt voorouders met de hardware die wordt gebruikt in Bell testen van verstrengeling. Minev ‘ s studies van zijn niet-lineaire oscillator helpen hem methoden te ontwikkelen om fouten in kwantumcomputers te corrigeren., Landsman ‘ s onderzoek naar het foto-elektrisch effect in moleculen kan aanwijzingen over zijn elektronische eigenschappen onthullen, die uiteindelijk wetenschappers een nieuwe weg kunnen bieden voor het ontwerpen van materialen met de gewenste specificaties. Migdall zegt dat onderzoekers Bell-tests gebruiken om willekeur te controleren in nieuwe modellen van willekeurige nummergeneratoren die verstrengelde deeltjes exploiteren.

toch ontgaat de ware aard van het foton natuurkundigen. “Al de vijftig jaar van bewust broeden hebben me niet dichter bij het antwoord gebracht op de vraag: Wat zijn lichtkwanta?”Einstein schreef in een brief uit 1951., “Natuurlijk denkt iedere deugniet vandaag dat hij het antwoord weet, maar hij houdt zichzelf voor de gek.”

hij had het misschien mis over verstrengeling, maar zeven decennia van collectief broeden later, is het sentiment nog steeds van kracht.Sophia Chen draagt bij aan WIRED, Science, and Physics Girl. Ze is een freelance schrijver gevestigd in Columbus, Ohio.

geniet u van dit artikel?, Get similar news in your inbox

Get more stories from SPIE