Measuring the Quantum Phase of Multiphoton Systems

In de wereld van de kwantumfysica zijn sommige grootheden gemakkelijk te tellen, terwijl andere berucht moeilijk vast te leggen zijn. Stel je voor dat je probeert het exacte aantal korrels zand in een emmer te meten; dat is een eenvoudige taak. Stel je nu voor dat je de precieze "fase" van een watergolf probeert te meten. In de klassieke fysica beschrijft fase waar een golf zich in zijn cyclus bevindt—of hij nu op een piek, een dal, of ergens ertussenin is. Het is een fundamenteel concept dat verklaart hoe golven met elkaar interfereren, waardoor de patronen van licht en donker ontstaan die we zien in rimpelingen of laserstralen. Echter, toen natuurkundigen van de macroscopische wereld van water- en lichtgolven afdaalden naar de microscopische wereld van individuele deeltjes, ontstond er een diep mysterie. Hoewel het aantal deeltjes in een systeem duidelijk gedefinieerd kon worden, bleef de kwantumversie van fase ongrijpbaar. Decennialang worstelden wetenschappers om een wiskundig hulpmiddel, of een operator, te vinden die deze fase kon beschrijven zonder de regels van de kwantummechanica te breken. Zonder zo'n hulpmiddel konden ze de fase van een groep deeltjes niet direct meten, noch konden ze een duidelijke regel vaststellen die beschrijft hoe de onzekerheid van het deeltelaantal gerelateerd is aan de onzekerheid van de fase.

Deze kloof in begrip is steeds belangrijker geworden naarmate wetenschappers nieuwe technologieën ontwikkelen die steunen op het manipuleren van vele deeltjes tegelijk, zoals geavanceerde sensoren en kwantumcomputers. Deze apparaten moeten vaak kunnen schakelen tussen het tellen van deeltjes en het meten van hun fase, vergelijkbaar met hoe een standaardcamera kan schakelen tussen het focussen op de helderheid van een scène en de timing van een flits. Tot nu toe was het onvermogen om de fase van meer-deeltjessystemen direct te meten een aanzienlijke blokkade. Een team van onderzoekers aan de Louisiana State University heeft nu een grote stap voorwaarts gezet door de kwantumtoestand van systemen met tot wel vijftien deeltjes succesvol te reconstrueren om hun kwantumfase te evalueren. Hiermee hebben ze niet alleen een grootheid gevangen die lang als onmeetbaar werd beschouwd, maar hebben ze ook een nieuwe manier aangetoond om de fundamentele relatie te zien tussen hoeveel deeltjes aanwezig zijn en wat hun fase is.

De onderzoekers bereikten deze doorbraak door een geavanceerde experimentele opstelling te bouwen die fungeert als een precisiecamera voor licht. In plaats van simpelweg fotonen, of lichtdeeltjes, te tellen wanneer ze arriveren, combineerde het team het licht dat ze wilden bestuderen met een stabiele, voorspelbare lichtstraal die bekend staat als een lokale oscillator. Dit mengproces, bekend als homodyne interferometrie, stelde hen in staat om het onbekende licht te vergelijken met een bekende referentie. Cruciaal was dat ze een detector gebruikten die in staat was om het exacte aantal fotonen in elke meting te onderscheiden, in plaats van alleen de aanwezigheid van licht te detecteren. Door de relatieve fase en sterkte van de twee lichtbundels zorgvuldig aan te passen en over het lichtveld te scannen, verzamelden ze een enorme hoeveelheid gegevens. Vervolgens gebruikten ze een krachtig computeralgoritme om de kwantumtoestand van het licht uit deze metingen te reconstrueren, waarmee ze effectief een gedetailleerde kaart van de eigenschappen van het systeem bouwden.

De resultaten van deze reconstructie onthulden iets diepzinnigs. Het team was in staat om het lichtveld op twee complementaire manieren te visualiseren: één die de distributie van deeltelaantallen laat zien en een andere die de distributie van fasen laat zien. Wanneer ze naar een lichtbundel met een goed gedefinieerde fase keken, zagen ze dat de deeltjes verspreid waren over veel verschillende toestanden van aantal, maar dat de fase nauw geclusterd was rond een specifieke waarde. In contrast hiermee, wanneer ze een ander type lichtveld met meer willekeurige fluctuaties onderzochten, werd de fase veel meer verspreid en onzeker. Deze observatie bevestigde een langgezochte relatie: naarmate de onzekerheid in het aantal deeltjes toeneemt, neemt de onzekerheid in de fase af, en vice versa. Dit is de getal-fase onzekerheidsrelatie, een regel die voorheen slechts een theoretisch concept was, maar nu het onderwerp is van de eerste experimentele realisatie voor meer-deeltjessystemen.

Naast het bevestigen van deze fundamentele regel, brachten de onderzoekers in kaart hoe deze eigenschappen veranderen over de fysieke ruimte van de lichtbundel. Ze ontdekten dat de relatie tussen deeltelaantal en fase niet uniform is; het varieert afhankelijk van waar je kijkt binnen de bundel. In de dunnere randen van het lichtveld, waar minder deeltjes aanwezig zijn, is de fase zeer onzeker en verspreid. Naarmals ze richting het helderdere centrum van de bundel bewogen, waar meer deeltjes geconcentreerd zijn, werd de fase scherp gedefinieerd en gelokaliseerd. Deze ruimtelijke variatie bood een directe, visuele demonstratie van de afruil tussen weten hoeveel deeltjes er zijn en het weten van de fase. Het team toonde ook aan dat ze specifieke groepen deeltjes met een gedefinieerde fase konden isoleren, wat effectief een nieuwe manier creëert om kwantumtoestanden te selecteren en te manipuleren. Deze capaciteit opent de deur naar het gebruiken van fase als een hulpbron voor het coderen van informatie, wat een nieuwe tool biedt voor kwantuminformatieverwerking die voorheen ontoegankelijk was.

De betekenis van dit werk ligt in het vermogen om een theoretisch mysterie te veranderen in een praktisch instrument. Voor het eerst hebben wetenschappers een methode om de kwantumfase van een meer-deeltjessysteem te meten door de dichtheidsmatrix te reconstrueren en de relevante fase-observabelen te evalueren, in plaats van te vertrouwen op indirecte berekeningen of aannames. Deze prestatie biedt een solide fundament voor toekomstige experimenten in kwantummetrologie en -sensoring, waarbij precieze fase-metingen kunnen leiden tot ongelooflijk gevoelige detectoren. Het biedt ook een nieuw perspectief op de aard van kwantumonzekerheid, door te laten zien dat de vaagheid van de kwantumwereld niet alleen een beperking is, maar een gestructureerd kenmerk dat in kaart gebracht en begrepen kan worden. Door de fase van tot wel vijftien deeltjes te ontrafelen, hebben de onderzoekers de kloof tussen de abstracte wiskunde van de kwantumtheorie en de tastbare realiteit van de experimentele fysica overbrugd, en bewezen dat zelfs de meest ongrijpbare grootheden in focus gebracht kunnen worden met de juiste aanpak.