I ricercatori in India hanno dimostrato che l'entanglement di fotoni in una certa base variabile continua si ravviva quando i fotoni si allontanano dalla loro sorgente. La scoperta potrebbe rivelarsi utile per la trasmissione sicura di informazioni quantistiche su lunghe distanze e per l'imaging quantistico in mezzi turbolenti.

L'entanglement quantistico tra fotoni viene ampiamente esplorato dai fisici, spesso per sviluppare nuove tecnologie quantistiche per l'informatica, la comunicazione, il rilevamento e l'imaging. Alcune potenziali applicazioni richiedono l'invio di fotoni entangled su lunghe distanze o attraverso ambienti turbolenti senza perdite. Tuttavia, attualmente è molto complicato preservare alcuni tipi di entanglement in queste circostanze e il successo può dipendere da molti fattori, incluso il modo in cui le informazioni quantistiche sono codificate nei fotoni.

Adesso An e Jha e colleghi di Laboratorio di ottica quantistica e entanglement presso l'Indian Institute of Technology Kanpur hanno fornito una possibile soluzione utilizzando le posizioni angolari dei fotoni per codificare le informazioni. Hanno osservato che l'entanglement sembra scomparire man mano che i fotoni si propagano, ma poi stranamente riappare. Hanno anche dimostrato che la rinascita dell'entanglement avviene anche dopo che i fotoni hanno attraversato un'aria turbolenta, che normalmente distruggerebbe l'entanglement. Descrivono la loro ricerca in Anticipi Scienza.

Entanglement di fotoni

I fotoni hanno molti diversi gradi di libertà che possono essere usati per codificare informazioni quantistiche. La scelta dipende dal tipo di informazione che deve essere codificata. Per i qubit possono essere utilizzate proprietà discrete come la polarizzazione o il momento angolare orbitale di un fotone. Ma a volte, soprattutto per scopi di rilevamento e imaging, è meglio codificare le informazioni quantistiche in modo più continuo. In tali applicazioni, la proprietà entangled più esplorata – o “base” – è la posizione di un fotone data dalle sue coordinate cartesiane.

Il fenomeno dell'entanglement quantistico conferisce alle particelle una relazione più stretta di quella consentita dalla fisica classica ed è indipendente da quale particolare base viene utilizzata per codificare l'informazione quantistica. Tuttavia, il modo in cui l'entanglement viene utilizzato o misurato in un esperimento potrebbe non essere indipendente dalla base. Questo vale per un "testimone" di entanglement, che è una quantità matematica che determina se un sistema è entangled. I testimoni dipendono dalla base per le basi continue e questa dipendenza significa che alcuni tipi di entanglement continuo possono essere più utili di altri.

Per la base della quantità di moto, l'entanglement, visto attraverso il testimone, si estingue molto rapidamente man mano che i fotoni si allontanano dalla loro sorgente. Per aggirare questo problema, gli scienziati di solito immaginano la sorgente stessa per utilizzare l'entanglement tra i fotoni. Qualsiasi turbolenza nel percorso distrugge rapidamente anche l'entanglement, richiedendo soluzioni complesse come l'ottica adattiva per ripristinarlo. Questi passaggi correttivi aggiuntivi limitano l'utilità di questi fotoni entangled.

Quest'ultima ricerca di Jha e colleghi esplora come l'entanglement possa essere preservato utilizzando una base alternativa strettamente correlata: la posizione angolare di un fotone.

Generare, perdere e ravvivare l'entanglement

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno generato fotoni entangled inviando luce da un laser "pompa" ad alta potenza in un cristallo non lineare. In condizioni in cui le energie e la quantità di moto dei fotoni sono conservate, un fotone pompa produrrà due fotoni entangled in un processo chiamato down-conversion parametrica spontanea (SPDC). I due fotoni sono entangled in tutte le loro proprietà. Se un fotone viene rilevato in una posizione, ad esempio, la posizione dell'altro fotone entangled viene determinata automaticamente. La correlazione esiste anche per altre quantità, come la quantità di moto, la posizione angolare e il momento angolare orbitale.

Visto attraverso il testimone senza alcuna misura correttiva, i ricercatori hanno osservato che l'entanglement di posizione tra i fotoni scompare dopo circa 4 cm di propagazione. D'altra parte, accade qualcosa di interessante per l'entanglement di posizione angolare. Scompare dopo circa 5 cm di propagazione, ma dopo che i fotoni hanno percorso altri 20 cm, riappare l'entanglement (vedi figura). I ricercatori hanno corroborato qualitativamente i loro risultati sperimentali con un modello numerico.

Il metodo di distillazione rafforza l'entanglement quantistico in una singola coppia di fotoni

La stessa tendenza è stata osservata quando il team ha creato un ambiente turbolento nel percorso dei fotoni entangled. Ciò è stato fatto utilizzando un riscaldatore per agitare l'aria e modificarne l'indice di rifrazione. In questo caso, l'entanglement è stato ripristinato dopo che la luce si era propagata per una distanza maggiore di circa 45 cm.

Non è ancora del tutto noto cosa causi la ricomparsa dell'entanglement nella base della posizione angolare. La base è speciale perché si avvolge dopo un giro completo. Questo è uno dei suoi fattori distintivi, secondo Jha.

Anche se lo studio dimostra la robustezza su distanze inferiori a un metro, Jha e colleghi affermano che il risveglio è possibile anche su distanze chilometriche. Ciò potrebbe rendere possibile la trasmissione di informazioni quantistiche attraverso la turbolenza atmosferica senza distruggere l'entanglement. La robustezza attraverso la turbolenza potrebbe anche consentire l'imaging quantistico di oggetti in ambienti biochimici sfocati con invasione o distruzione minime.

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