フォトンは破壊せずに2回登録されました

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フォトンは破壊せずに2回登録されました
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Anonim
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物理学者は、同じ光子を破壊することなく2回登録することができました。 2つの検出器として、彼らはルビジウム原子に基づく光共振器を使用し、その間を光子が光ファイバーに沿って移動しました。科学者は、光子のそのような連続的な検出がそれらの登録の可能性を高め、ノイズを減らすことができることを示しました。将来的には、この登録方法により、フォトニックキュービットを使用した作業が簡素化および高速化される可能性があります。記事はジャーナルPhysicalReviewLettersに掲載されました。

通常、光子を登録するには、光子を吸収する必要があります。これにより、光子自体に関する情報を取得できますが、そのような測定を繰り返すことはできません。このような登録方法の本質は、その機能に制限を課します。このように、同じ光子の状態の進化を時間内に追跡することは不可能です。また、検出器が理想的でない場合、登録しなくても一定の確率で光子が破壊される可能性があり、情報が失われます。

このような結果は、量子測定の場合に特に不快です。量子測定では、特定の各光子の状態とその進化が重要な情報を運ぶ可能性があるためです。ここで、量子非破壊測定の概念は特に有用であるように思われます。測定の事実とその結果は、システムのさらなる進化中に観察可能な量子のその後の測定の不確実性に影響を与えません。実際には、この方法により、結果を変更せずに同じ測定を繰り返し、上記の破壊的な測定の問題を回避することができます。

量子非破壊測定は、それ自体で、重力波や天文学の検出から高精度の計測まで、幅広い分野ですでに応用されています。この手法は、個々のイオン、超伝導キュビット、および原子集団を扱うときに使用されますが、光子を使用すると、すべてがより複雑になることがわかりました。その理由は、光子を吸収せずに記録できる検出器を作成することの複雑さでした。単一の非破壊光子測定用の検出器の概念が開発され、マイクロ波光子と光学光子の両方に実装されていますが、同じ光子の複数の検出はまだ達成されていません。

現在、マックスプランク量子光学研究所のEmanuele Distanteと彼の同僚は、光子を破壊することなく2回検出しました。科学者たちは光子検出器として2つの光共振器を使用しました。各共振器は小さな鏡の間に挟まれたルビジウム原子でした。共振器は、原子の状態間の特定の遷移の周波数に調整され、ラマンレーザーの助けを借りて、原子はその2つの異なるレベルの重ね合わせの状態に置かれました。各検出器のルビジウム原子の状態は、光共振器の周波数に調整された個別のレーザーを使用して監視されました。 2つの検出器は、長さ60メートルの光ファイバーで相互に接続されていました。さらに、スキームの最初には、波長780ナノメートルの弱いコヒーレント光子パルスのソースがあり、最後には、単一光子の単純な検出器がありました。科学者は、パルスあたりの平均光子数の関数としてそのような検出スキームの振る舞いを調査するために、単一光子の代わりに光子パルスを使用しました。

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さまざまな表現のセットアップ図:(a)-検出器として電球を使用した経験図、(b)-物理図、(c)-量子演算子の言語での図。

登録自体は、以下の原則に従って行われました。2つの検出器はそれぞれ、量子非破壊測定の原理に従って、光子ビームがそれに当たると、光子の数が奇数(1つを含む)の場合にその中のルビジウム原子の状態が変化し、逆の場合の初期状態…この場合、光子パルスは検出器で反射されて次の検出器に送られ、次に単一光子検出器によって吸収されました。その結果、科学者は、各検出器がトリガーされた確率を追跡し、全体的な登録効率を調査することができました。一度に1つずつ動作する場合の2つの検出器の最大効率は81.3パーセントと87.0パーセントであり(違いは各検出器の設定の品質による)、一緒に動作する場合は95.1パーセントに増加することが判明しました。

物理学者は、2つの検出器を組み合わせて使用​​すると、光子登録のもう1つの重要な指標である信号対雑音比が向上することも示しています。 2つの検出器の組み合わせのこのパラメータは、2番目の検出器の61倍、最初の検出器の227倍であることが判明しました。したがって、量子非破壊測定により、光子の検出の効率と品質を大幅に向上させることが可能になりました。科学者は、検出器間で光ファイバーに沿って光子が移動する際の損失の減少(調査対象の設置では-53%)と時間分解能の追加により、このようなスキームをフォック状態のソースとして使用できるようになると述べています。さらに、このような非破壊検出器のシステムを使用して、光子量子ビットを処理し、それによって既存の量子アルゴリズムの動作を高速化することができます。

すでに述べたように、非破壊測定はキュービットを扱うときに特に役立ちます。この手法は、光子に基づくデバイスだけでなく開発されています。このような測定は、量子ドット上のキュービットに対してすでに実行されています。そして、破壊のないマイクロ波光子は、量子メタマテリアルを使用して記録することが提案されました。

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