fotonen kan vara den mest kända av elementära partiklar. Reser med ljusets hastighet bombarderar partiklarna oss dagligen från solen, månen och stjärnorna. I mer än ett sekel har forskare och ingenjörer utnyttjat dem sammanlagt för att belysa våra städer och nu våra skärmar.

forskare kan idag styra fotoner med mer finess än någonsin tidigare. Vid National Institute of Standards and Technology (NIST) i Maryland, fysiker Paulina Kuo skapar och manipulerar fotoner individuellt., Genom att belysa specialdesignade kristaller med laserljus i sitt labb producerar Kuo dubbla fotoner, som hon ytterligare kan separera i enstaka fotoner. Rikta dem mot vissa material, som absorberar partikeln för att producera fotoner av olika färger, kan hon effektivt ändra färgen på en foton samtidigt som informationen kodas i den.

till exempel utformade hon en kristall för att fördubbla frekvensen för en ingångsfoton, vilket möjliggör omvandling mellan rött och infrarött ljus. ”Du kan smälta två fotoner tillsammans, eller dela en foton i två”, säger hon., ”Eller ännu högre orderprocesser. Du kan smälta tre fotoner i en, eller dela en foton i tre.”Som komplement till dessa tekniker använder hon state-of-the-art single-photon detektorer, gjorda av supraledande ledningar som blir nonsuperducting när de absorberar en enda foton. Dessa typer av detektorer levererar mycket exakta räkningar, detekterar fotoner med upp till 99 procent effektivitet.

denna Single-photon-teknik kommer att utgöra ryggraden i ett framtida quantum internet, ett föreslaget globalt nätverk av enheter för överföring av data kodade i enstaka fotoner och andra kvantpartiklar., Dessa data skulle representeras i en partikels kvantegenskaper, såsom en fotons polarisering. Till skillnad från klassiska data, som endast kan representeras som 0 eller 1, tar så kallad quantum information på värden som är viktade kombinationer av 0 och 1, vilket möjliggör nya, potentiellt mer kraftfulla beräkningsalgoritmer och nya krypteringsprotokoll.

tekniska utmaningar finns i överflöd för quantum internet, såsom problem med signalförlust, säger Kuo. Men forskare—och deras regeringar-har lagt ambitiösa planer., År 2016 inledde Europeiska unionen ett initiativ på 1 miljard euro för kvantteknik. I augusti etablerade USA fem kvantforskningscentra för att påskynda kvantteknikutveckling med upp till $ 625 miljoner utlovade under de kommande fem åren. Fysiker Pan Jian-Wei, som ledde 2016-lanseringen av en $100 miljoner Kinesisk kvanttekniksatellit och dess efterföljande projekt, har beskrivit ett mål att bygga ett globalt kvantinterne senast 2030.,

många experter har kallat den nuvarande eran av single-photon-teknik som ”andra kvantrevolutionen”, ett paradigmskifte där forskare inte bara förstår de kontraintuitiva principerna för kvantmekanik—entanglement, superposition och vågpartikeldualitet-men kan utnyttja dem i teknik. Fotonen är inte längre bara ett föremål för studier, utan ett verktyg.

Så vad är då en foton? Kuo ger ett cirkulärt svar. ”En foton är klicket registrerat av en enda fotonupplösningsdetektor”, säger hon.

Vaguer ord än Kuos har använts för att beskriva fotonen., Det är en våg och en partikel av ljus, eller det är en kvantifiering av det elektromagnetiska fältet. Eller ”håll käften och beräkna”, en fras som är bekant för alla som har förbryllat över kvantmekanik.

”Du kan komma i trubbel om du ger fotonen för mycket verklighet”, säger fysikern Alan Migdall of NIST.

”människor har argumenterat för det i 100 plus år”, säger fysikern Aephraim Steinberg vid University of Toronto. ”Jag tror inte att vi har kommit överens.”

fysiker började argumentera om fotonen så snart de upptäckte det., De mycket forskare som tänkte på partiklarna var skeptiska till att de i grunden existerade i naturen. För att förklara annars förvirrande experimentella data om förhållandet mellan ett objekts temperatur och dess emitterade strålning, föreslog den tyska fysikern Max Planck 1900 att strålning kommer i diskreta kvantiteter eller quanta. Konceptet för fotonen föddes. Men Planck förstod inte vad hans idé var. Han beskrev senare sitt genombrott som”en handling av desperation” —ett ogrundat trick för att få matematiken att fungera.,

Albert Einstein motsatte sig också konsekvenserna av fotonteorin som han hjälpte till att utveckla. Han var särskilt störd av sammanflätning, tanken att två partiklar kan ha sammanflätade öden, även när de separeras långt ifrån varandra. Teorin innebar till exempel att om du mätte polariseringen av en foton i ett intrasslat par, skulle du omedelbart också känna till polariseringen av den andra, även om de två partiklarna har separerats till motsatta ändar av solsystemet., Entanglement föreslog att objekt kan påverka varandra från godtyckligt långt borta, känd som nonlocality, som Einstein härskade som ”spooky action på avstånd.”Föredrar en verklighet där objekt måste vara i närheten att utöva inflytande på varandra, trodde han att kvantmekanik teorin var ofullständig. ”Det gav verkligen Einstein matsmältningsbesvär”, säger Migdall.

i årtionden blev argument över fotonen i stor utsträckning förpassade till sfären av tankeexperiment, eftersom det var tekniskt omöjligt att testa dessa idéer., Nyligen har debatten kommit in i fysikgemenskapen mer allmänt, eftersom enfotonkällor och detektorer blir bättre och mer tillgängliga, enligt Steinberg. – Vi kan göra dessa experiment istället för att bara föreställa oss dem, som Schrödingers katt, säger han.

fysiker har till exempel alla utom bekräftat förekomsten av sammanflätning. Årtionden av experiment, kända som tester av Bells ojämlikhet, indikerar nu starkt att Einstein var fel—och att vårt universum är nonlocal.,

dessa tester är baserade på en experimentell ram som utarbetats av den brittiska fysikern John Stewart Bell 1964. I teoretiskt arbete visade Bell att om du upprepar mätningar på påstått intrasslade partiklar kan statistiken avslöja om fotonerna verkligen påverkar varandra nonlocally, eller om en okänd mekanism—känd generiskt som en ”lokal dold variabel”—skapar illusionen av åtgärder på avstånd. I praktiken har testerna i stor utsträckning involverat uppdelning av par intrasslade fotoner längs två olika vägar för att mäta deras polariseringar vid två olika detektorer.,
fysiker har utfört Klocktester sedan 1970-talet, med alla publicerade experiment som indikerar fotoner kan spookily agera på avstånd, som fysikern David Kaiser från Massachusetts Institute of Technology förklarar. Men trots enhälliga resultat var dessa tidiga experiment ofullständiga: tekniska brister innebar att deras experiment led av tre potentiella designbegränsningar eller kryphål.

det första kryphålet, som kallas locality loophole, härrör från att de två polarisationsdetektorerna är för nära varandra., Teoretiskt var det möjligt att en detektor kunde ha vidarebefordrat en signal till den andra detektorn strax innan de intrasslade fotonerna emitteras, vilket påverkade mätresultatet lokalt.

det andra smutthålet, kallat det rättvisa provtagningssprycket, berodde på enstaka fotondetektorer av dålig kvalitet. Experter hävdade att detektorerna kunde ha fångat en partisk delmängd av fotonerna och förvrängt statistiken. Lusten att stänga detta kryphål, säger Migdall, har drivit utvecklingen av bättre enfotondetektorer, samma som nu används rutinmässigt i kvantteknik.,

det tredje kryphålet, kryphålets valfrihet, är relaterat till polarisationsdetektorns inställningar. För att få verkligt opartisk statistik på ett stort antal polariseringsmätningar måste polarisationsdetektorns orientering slumpmässigt återställas för varje mätning. Det är svårt att garantera slumpmässighet, med forskare omsorgsfullt återställa detektorerna för hand i tidiga experiment.

de senaste experimenten har stängt alla tre kryphål, om än inte samtidigt i ett test, enligt Kaiser., År 2015 utförde ett team som leddes av fysikern Ronald Hanson vid Delft University of Technology ett Klocktest som stängde de rättvisa provtagnings-och lokalitets kryphål för första gången, om än med hjälp av intrasslade elektroner snarare än fotoner.

publicering i 2018, ett team av forskare vid Institute of Photonics Sciences i Spanien laddade 100 000 volontärer att spela ett videospel för att generera slumptal, som forskarna använde för att ställa in sina Klocktestdetektorer för att begränsa valfrihetens kryphål.,

Kaiser arbetade med ett annat experiment publicerat i 2018, dubbade ”Cosmic Bell Test”, som stängde locality kryphål och tätt begränsade valfrihet kryphål genom att ställa in sin polarisationsdetektor orientering med hjälp av ett slumptalsgenerator baserat på frekvensen av ljus som avges från två stjärnor 600 och 1,900 ljusår bort, respektive.

resultaten stöder starkt nonlocality of entanglement. ”Den matsmältningsbesvär som Einstein hade med kvantmekanik—om han var runt idag skulle du berätta för honom att han bara skulle behöva hantera det”, säger Migdall.,

fysiker Alexandra Landsman från Ohio State University beskriver fotonen som ”en kvant av energi”, som ligger nära fysikernas ursprungliga uppfattningar om partikeln. I ett 1905-papper beskrev Einstein ljus som diskreta energipaket proportionella mot dess frekvens för att förklara den så kallade fotoelektriska effekten. Forskare hade observerat att material absorberar ljus för att mata ut elektroner, men bara när ljusets frekvens är kortare än något tröskelvärde., Einsteins förklaring, för vilken han tilldelades Nobelpriset 1921, hjälpte till att kickstart utvecklingen av kvantteori.

ny laserteknik har gjort det möjligt för forskare att se över den fotoelektriska effekten mer detaljerat. Attosecond lasrar, uppfanns 2001, leverera pulser av ljus mindre än en quadrillionth av en sekund lång som gör det möjligt för fysiker att observera kvantskala åtgärder som en kamera med rekord slutartid., I synnerhet använder fysiker ultrasnabba lasrar till tiden den fotoelektriska effekten: när en foton impinges på en atom eller molekyl, hur lång tid tar det elektronen att matas ut? ”Människor i det förflutna antog att denna process händer omedelbart”, säger Landsman. ”Det fanns inget sätt att ta itu med denna fråga experimentellt.”

i 2010, ett team som leds av fysikern Ferenc Krausz, sedan vid Wiens tekniska universitet, utförde ett experiment som visar att elektronutstötning från en atom tar tid., Medan de inte mäta den absoluta tiden, de kunde urskilja att det tog ca 20 attoseconds längre för en elektron att lämna från 2P orbital kontra 2s orbital av en neonatom. Efterföljande experiment av andra grupper har tidsbestämt elektronemissionen i molekyler som vatten och kväveoxid.

Landsman, teoretiker, arbetar för att förstå varför elektroner lämnar vissa molekyler snabbare än andra. Vissa molekyler begränsar till exempel elektronen till ett utrymme så att elektronen bildar en stående våg., Detta tillstånd, känt som shape resonance, fångar tillfälligt elektronen och saktar ner sin flykt. I slutändan vill Landsman belysa alla faktorer som fördröjer atomer och molekyler från att släppa elektronen till noll på hur länge fotonen och elektronen möter varandra. ”Dessa experiment ger oss mer insikt om hur en foton interagerar med en elektron”, säger hon.

Zlatko Minev tror dock inte att en foton är en kvant av energi. Minev, en fysiker på IBM, undersöker hur man bygger en kvantdator., I detta nya tekniska sammanhang, säger han, fotoner verkar manifestera annorlunda.

Minev kör experiment på kretsar gjorda av supraledande ledningar som kan användas som kvuttar, som är byggstenar av kvantdatorer. Dessa kretsar är utformade för att absorbera en enda foton av en viss energi, där absorptionen av en foton kan representera 1-tillståndet i en kvantdator. När qubit absorberar en foton förändras dess svar, så att det inte längre absorberar fotoner av den energin.,

den konventionella idén om en foton som en ”quantum of energy” passar inte dessa kretsar, säger Minev, som refererar till systemen som kvantlinjära oscillatorer. ”Du kan fråga, Vad betyder det att ha två fotoner i min oscillator ? Är det två energienheter?”han säger. ”I det här fallet är det inte, för varje extra foton i oscillatorn har faktiskt en annan mängd energi. Energin definierar inte fotonen i det här fallet.”

Så hur beskriver han fotonen? ”Jag är inte säker på att jag kan ge dig ett svar på en mening”, säger Minev. ”Jag omvärderar för närvarande min egen förståelse.,”För närvarande tror han att fotonen är en” quantum of action”, där” action ” refererar till en abstrakt mängd som beskriver det tillåtna beteendet hos hans system.

som fysiker omvärderar grunderna belyser dessa nya experiment sambandet mellan grundläggande vetenskap och applikationer. Kuos quantum internet-teknik delar anor med hårdvaran som används i Klocktest av entanglement. Minevs studier av hans olinjära oscillator hjälper honom att utveckla metoder för att korrigera fel i kvantdatorer., Landsman forskning om den fotoelektriska effekten i molekyler kan avslöja ledtrådar om dess elektroniska egenskaper, som så småningom kan ge forskare en ny väg för att designa material med önskade SPECIFIKATIONER. Migdall säger att forskare använder Klocktester för att verifiera slumpmässighet i nya modeller av slumptalsgeneratorer som utnyttjar intrasslade partiklar.

fortfarande, den sanna naturen av fotonen undgår fysiker. ”Alla femtio år av medveten grubbling har fört mig inte närmare svaret på frågan: Vad är ljus quanta?”Einstein skrev i ett brev från 1951., ”Självklart idag tror varje rascal att han vet svaret, men han lurar sig själv.”

han kan ha haft fel om entanglement, men sju årtionden av kollektiv grubbling senare håller känslan fortfarande.

Sophia Chen bidrar till trådbunden, vetenskap och fysik flicka. Hon är frilansande författare baserad i Columbus, Ohio.

Njut av den här artikeln?, Get similar news in your inbox

Get more stories from SPIE