A hybrid quantum interferometer bridging Hong-Ou-Mandel and N00N-state interference

In de wereld van de moderne meting worden wetenschappers vaak geconfronteerd met een moeilijke keuze tussen twee tegenovergestelde kwaliteiten: stabiliteit en precisie. Stel je voor dat je een minuscule verandering probeert te meten in een kamer die heftig schudt versus een kamer die volkomen stil is. In een lawaaierige, chaotische omgeving is het meest betrouwbare instrument er een die de trillingen volledig negeert, waardoor een stabiele meting wordt gegeven, zelfs als het de kleinste verschuivingen niet kan detecteren. In een stille, gecontroleerde omgeving kunnen onderzoekers echter instrumenten gebruiken die ongelooflijk gevoelig zijn voor de kleinste beweging, in staat om veranderingen te detecteren die veel kleiner zijn dan wat mogelijk is met standaardapparatuur. Decennialang hebben kwantumfysici moeten kiezen tussen deze twee benaderingen. Ze konden machines bouwen die robuust genoeg waren om in lawaaierige omstandigheden te werken maar een gebrek aan extreme gevoeligheid hadden, of ze konden delicate instrumenten bouelen die superprecisie boden maar volledig faalden als de omgeving werd verstoord. Deze beperking betekende dat een enkel apparaat zich niet kon aanpassen aan de veranderende realiteiten van de echte wereld, waar ruisniveaus onvoorspelbaar fluctueren.

Een team van onderzoekers heeft nu een enkel kwantumapparaat gebouwd dat dit probleem oplost door deze twee voorheen gescheiden capaciteiten samen te voegen in één flexibel systeem. Dit nieuwe hybride interferometer, gepubliceerd in een recente studie, kan schakelen tussen een stevig, ruisbestendig instrument en een hypergevoelig precisie-instrument, of zelfs opereren als een combinatie van beide, simpelweg door de timing van lichtpulsen binnen de machine aan te passen. De onderzoekers bereikten dit door een opstelling te creëren waarin twee verschillende soorten kwantuminterferentie — het soort dat faseverschuivingen negeert en het soort dat ze versterkt — naast elkaar kunnen bestaan en dynamisch gecontroleerd kunnen worden. Door twee specifieke tijdsvertragingen in het pad van het licht zorgvuldig af te stemmen, kan het apparaat worden ingesteld om te fungeren als een robuuste sensor voor situaties met hoge ruis of als een supergevoelige detector voor omgevingen met lage ruis, allemaal binnen dezelfde fysieke hardware.

De kern van deze prestatie ligt in de manier waarop de onderzoekers paren lichtdeeltjes, bekend als fotonen, manipuleerden die worden gegenereerd door een speciale kristal. Wanneer deze fotonen worden gecreëerd, zijn ze op een manier verbonden waarbij hun gedrag afhangt van hoe ze interageren met spiegels en beam splitters. Het team ontwierig een apparaat waarbij deze fotonen door een reeks optische componenten reizen, inclusief een kristal dat laserlicht in paren splitst, en twee verstelbare vertragingssystemen. Deze vertragingssystemen fungeren als nauwkeurige stopwatchjes voor licht, waardoor de onderzoekers een deel van de reis van het foton ten opzichte van een ander deel met minuscule fracties van een seconde kunnen vertragen. De eerste vertraging, gecontroleerd door een gemotoriseerd platform, en de tweede vertraging, gecontroleerd door een motor en een piëzo-elektrische actuator die met microscopische precisie beweegt, dienen als de knoppen waarmee de machine wordt afgestemd.

Wanneer de onderzoekers de eerste vertraging op nul zetten, komen de fotonen perfect gesynchroniseerd bij de detectoren aan, wat een patroon creëert dat bekend staat als N00N-toestand interferentie. Dit patroon wordt gekenmerkt door snelle, hoogfrequente oscillaties die extreem gevoelig zijn voor veranderingen in de weglengte, wat het potentieel biedt voor metingen op de uiterste grens van wat de natuurkunde toestaat. Deze gevoeligheid gaat echter gepaard met een prijs: als de omgeving lawaaierig is, spoelt dit delicate patroon weg en faalt de meting. Wanneer de onderzoekers daarentegen een specifieke vertraging tussen de twee paden introduceerden, activeerden zij een ander fenomeen genaamd Hong-Ou-Mandel interferentie. In deze modus klonteren de fotonen samen op een manier die volledig immuun is voor faseruis, wat een stabiel, robuust signaal oplevert dat geen rekening houdt met omgevingsverstoringen, hoewel het de extreme gevoeligheid van de eerste modus mist.

De doorbraak van deze studie is het bewijs dat deze twee modi niet wederzijds uitsluitend zijn. Door de vertragingen aan te passen, lieten het team zien dat het apparaat soepel kan overgaan van de ene modus naar de andere, of kan rusten in een hybride staat waarbij beide gedragingen tegelijkertijd zichtbaar zijn. In hun experimenten gebruikten ze een laser met een golflengte van 775 nanometers om een kristal van kaliumtitylanilaat te pompen, wat paren fotonen genereerde die vervolgens door hun op maat gemaakte interferometer werden gestuurd. Ze maten de aankomsttijden van deze fotonen met supergeleidende detectoren die in staat zijn individuele deeltjes te tellen. De resultaten bevestigden dat door de eerste vertraging op nul te zetten en de tweede te scannen, zij de snelle oscillaties van de N00N-toestand interferentie observeerden. Wanneer zij een specifieke vertraging tussen de twee paden introduceerden, zoals 2 picoseconden, bleven de snelle oscillaties op de achtergrond aanwezig, maar verschenen er duidelijke dalen in de gegevens, wat de aanwezigheid van de robuuste Hong-Ou-Mandel interferentie signaleerde.

De onderzoekers verkenden ook wat er gebeurde wanneer ze de tweede vertraging vastzetten en de eerste varieerden. Wanneer de tweede vertraging werd ingesteld op een punt waar de N00N-toestand interferentie een piek vertoonde, was het systeem zeer gevoelig voor fase, maar vertoonde het geen teken van de robuuste interferentiedips. Echter, wanneer zij de tweede vertraging naar een andere waarde aanpasten, werd het systeem gevoelig voor de padinformatie, en verscheen er een duidelijke dip terwijl de eerste vertraging werd gescand, wat de opkomst van het ruisbestendige gedrag aangaf. In sommige configuraties splitste de enkele dip zich in tweeën, wat onthulde dat de fotonen langs twee verschillende, in de tijd gescheiden paden reisden die individueel konden worden onderscheiden. Deze experimentele waarnemingen kwamen overeen met de computer simulaties die het team vooraf had uitgevoerd, die precies voorspelden hoe de toevalligheidsmetingen (coincidence counts) zouden veranderen naarmate de vertragingen werden aangepast.

De studie benadrukt dat deze flexibiliteit niet slechts een theoretische mogelijkheid is, maar een praktische realiteit. Het team mat de zichtbaarheid (visibility), een metriek voor hoe duidelijk de interferentiepatronen zijn, en stelde vast dat hoewel omgevingsfactoren zoals trillingen het moeilijk maakten om gedurende lange perioden een perfecte stabiliteit te behouden, het fundamentele vermogen om tussen modi te schakelen onmiskenbaar was. Zelfs met enkele technische beperkingen in het behouden van een perfecte lock op de interferentiepunten, demonstreerde het apparaat succesvol de dynamische controle van kwantuminterferentie. Dit betekent dat in de toekomst een enkele kwantumsensor kan worden ingezet in een omgeving waar ruisniveaus veranderen, waarbij hij automatisch zijn interne timing aanpast om ofwel robuust tegen de ruis te zijn, of gevoelig genoeg om minuscule signalen te detecteren, afhankelijk van wat de situatie vereist.

Dit werk vertegenwoordigt een belangrijke stap naar geïntegreerde kwantumtechnologieën die effectief kunnen opereren in diverse en fluctuerende omgevingen. Door te bewijzen dat een enkel apparaat de sterke punten van zowel ruisbestendige als supergevoelige meettechnieken kan belichamen, hebben de onderzoekers een pad geopend voor kwantumsensoren die niet langer beperkt worden door de omstandigheden van hun omgeving. Het vermogen om het gedrag van de machine 'on the fly' af te stemmen suggereert dat toekomstige kwantuminstrumenten zo ontworpen kunnen worden dat ze zich aanpassen aan de echte wereld, in plaats van dat de echte wereld perfect gecontroleerd moet worden om bij het instrument te passen. De bevindingen bevestigen dat de complexe interactie tussen verschillende soorten kwantuminterferentie kan worden aangewend om veelzijdige instrumenten voor detectie te creëren, wat de weg vrijmaakt voor krachtigere en aanpasbare technologieën in velden variërend van biologische beeldvorming tot de detectie van zwaartekrachtgolven.