Les plus petits morceaux de la nature - des particules individuelles comme des électrons, par exemple, sont à peu près interchangeables. Un électron est un électron est un électron, qu'il soit coincé ou non dans un laboratoire sur Terre, lié à un atome dans une poussière de lune crayeuse ou tiré d'un trou noir extragalactique dans un jet surchauffé. En pratique, bien que, différences d'énergie, le mouvement ou l'emplacement peut faciliter la distinction entre deux électrons.

Une façon de tester la similitude de particules comme les électrons est de les réunir au même moment et au même endroit et de rechercher les interférences, un effet quantique qui se produit lorsque des particules (qui peuvent également se comporter comme des ondes) se rencontrent. Cette interférence est importante pour tout, des tests fondamentaux de la physique quantique aux calculs rapides des ordinateurs quantiques, mais sa création nécessite un contrôle exquis sur des particules indiscernables.

Dans le but d'assouplir ces exigences, Des chercheurs du Joint Quantum Institute (JQI) et du Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS) ont étendu plusieurs photons - les particules quantiques de lumière - et transformé trois impulsions distinctes en ondes quantiques qui se chevauchent. L'oeuvre, qui a été publié récemment dans la revue Lettres d'examen physique , restaure l'interférence entre les photons et peut éventuellement permettre la démonstration d'un type particulier de suprématie quantique, un net avantage de vitesse pour les ordinateurs qui fonctionnent selon les règles de la physique quantique.

"Bien que les photons n'interagissent pas directement les uns avec les autres, lorsqu'ils se rencontrent, ils peuvent présenter une caractéristique purement quantique absente du classique, ondes non quantiques, " dit le membre de JQI Mohammad Hafezi, co-auteur de l'article et professeur agrégé de physique et de génie électrique et informatique à l'Université du Maryland.

Ces jours, tester la similitude des photons est une routine. Il s'agit de les réunir dans un dispositif appelé séparateur de faisceau et de mesurer la lumière sortant de l'autre côté.

Lorsqu'un seul photon frappe un séparateur de faisceau équilibré, il y a 50 % de chances qu'il se déplace tout droit et 50 % de chances qu'il se réfléchisse sous un angle. En plaçant des détecteurs dans ces deux chemins possibles, les scientifiques peuvent mesurer dans quelle direction les photons individuels finissent par aller.

Si deux photons identiques se rencontrent au niveau du séparateur de faisceau, avec l'un voyageant vers l'est et l'autre vers le nord, il est tentant d'appliquer le même traitement à chaque particule individuellement. Il est vrai que les deux photons ont une chance égale de traverser ou de réfléchir, mais parce que les photons sont indiscernables, il est impossible de dire lequel va où.

Le résultat de cette confusion d'identité est que deux des combinaisons possibles - celles dans lesquelles les deux photons traversent directement le séparateur de faisceau et les deux photons se réfléchissent - s'annulent, laissant derrière lui un résultat nettement quantique :les photons s'associent et voyagent par paire, aboutissant toujours à l'un des deux détecteurs ensemble.

Maintenant, Hafezi et ses collègues de l'UMD et de l'Université de Portsmouth ont observé un effet d'interférence similaire avec des photons distincts – des impulsions lumineuses de seulement deux picosecondes (une picoseconde correspond à un trillionième de seconde) qui sont séparées par des dizaines de picosecondes. L'astuce essentielle consistait à trouver un moyen de rendre les impulsions moins distinguables afin qu'elles puissent interférer.

"Nous avons utilisé un seul élément optique qui est essentiellement une fibre, " dit Sunil Mittal, chercheur postdoctoral à JQI et co-auteur du nouvel article. « Il émule l'équivalent d'environ 150 kilomètres de fibre, qui étire les photons. Il agit un peu comme une lentille à l'envers, provoquant la dispersion et la défocalisation de différentes fréquences dans les impulsions."

En allongeant chaque photon d'un facteur d'environ 1000, les chercheurs pourraient effectivement effacer le délai entre les impulsions et créer de grandes sections de chevauchement. Ce chevauchement a rendu plus probable que les photons arrivent aux détecteurs en même temps et interfèrent les uns avec les autres.

Des expériences antérieures (y compris par JQI et le boursier QuICS Christopher Monroe et ses collaborateurs) ont réussi à interférer avec des photons distinguables, mais ces résultats nécessitaient plusieurs canaux pour la lumière entrante, un pour chaque photon. Le nouveau travail utilise un seul canal qui transporte la lumière à des fréquences de télécommunications standard, ce qui, selon les auteurs, permet à leur système de s'adapter facilement pour inclure beaucoup plus de photons.

Avoir plus de photons permettrait aux chercheurs d'étudier l'échantillonnage des bosons, un problème de calcul considéré comme trop difficile pour les ordinateurs ordinaires (semblable au problème que Google aurait résolu). Dans sa forme standard, L'échantillonnage des bosons concerne les photons, membres d'une famille de particules appelées bosons, qui se frayent un chemin à travers un vaste réseau de séparateurs de faisceaux. Les photons entrent dans le réseau par différents canaux et sortent vers des détecteurs, avec un détecteur par canal.

Le "problème" d'échantillonnage du boson revient à faire un lancer de pièce compliqué, puisque chaque expérience échantillonne à partir de la chance sous-jacente que (disons) trois photons entrant dans le réseau aux ports 1, 2 et 5 aboutiront aux sorties 2, 3 et 7. Les interférences à l'intérieur du réseau sont complexes et impossibles à suivre avec un ordinateur ordinaire, même pour un nombre modeste de photons, et cela devient de plus en plus difficile à mesure que vous ajoutez des photons. Mais avec de vrais photons dans un vrai réseau, le problème se résoudrait de lui-même.

"La connexion de cette expérience à l'échantillonnage des bosons est un excellent exemple de la façon dont la synergie croissante entre la physique quantique à N corps et la théorie de la complexité computationnelle peut conduire à de grands progrès dans les deux domaines, " déclare Alexey Gorshkov, membre du JQI et du QuICS, un professeur agrégé adjoint de physique à l'UMD et un autre co-auteur de l'article.

Mais jusqu'à maintenant, les expériences d'échantillonnage de bosons ont souffert du problème de l'évolutivité :résoudre le problème pour plus de photons signifiait ajouter plus de canaux, ce qui impliquait de prendre plus de place et de chronométrer l'arrivée d'encore plus de photons pour assurer leur interférence. Mittal dit que leur technique résout potentiellement ces deux problèmes.

« Dans notre système, les entrées n'ont pas besoin d'être dans des fibres différentes, " dit Mittal. " Tous les photons peuvent voyager dans une seule fibre et les différences de temps peuvent être effacées par la même méthode que nous avons déjà démontrée. " Un autre appareil standard pourrait imiter le réseau de séparateurs de faisceau, avec l'avantage supplémentaire de permettre une reconfiguration facile, dit Mittal. "Nous ne faisons pas d'échantillonnage de bosons maintenant, mais il serait relativement facile d'aller dans cette direction."