Quanteninterferenz erleichtert das Zählen von Sternen

Die Erforschung des tiefen Nachthimmels begleitet die menschliche Zivilisation seit Tausenden von Jahren. Der Kinderreim „Funkel, funkel, kleiner Stern, der Himmel ist voller kleiner Sterne“ hat dich und mich beim Aufwachsen begleitet. Angesichts der Weite des Universums sind die Menschen immer neugierige Kinder, die seit Milliarden von Jahren im Licht der Sterne die Geheimnisse des Universums ergründen wollen.

Vor siebzig Jahren richteten Radioastronomen ihre Teleskope auf Sirius und einige andere Sterne …

Es gibt eine Auflösungsgrenze für die Betrachtung von Sternen

Wenn Sie von dem von Astronomen verwendeten Teleskop hören, müssen Sie denken, dass es extrem leistungsstark ist. Tatsächlich ähneln die von Astronomen verwendeten Teleskope unseren Augen in vielerlei Hinsicht. Jeder von uns hat diese Erfahrung schon einmal gemacht: Wenn man in einem Flugzeug sitzt und gerade abhebt, kann man am Boden deutlich zwei Lichter sehen, die dicht beieinander stehen. Doch wenn man höher und höher fliegt, verschmelzen die beiden Lichter vor den Augen allmählich zu einem einzigen und sind kaum noch zu unterscheiden. Und je weiter Sie entfernt sind, desto näher sind die beiden Lichter beieinander und desto schwieriger ist es, etwas zu erkennen.

Wenn Sie sich Ihre Augen als astronomisches Teleskop und die beiden Lichter als weit entfernte Sterne vorstellen, werden Sie verstehen, dass auch das astronomische Teleskop seine Grenzen hat, nämlich die Auflösungsgrenze.

Die Auflösungsgrenze bezeichnet die Grenze der Entfernung zwischen zwei nahe beieinander liegenden Objekten, die ein optisches Instrument noch unterscheiden kann. Der Grund für diese Grenze liegt in der Lichtbeugung. Wenn ein leuchtender Körper Licht aussendet, ist es unmöglich, dass sich das Licht im geometrischen Sinne wirklich geradlinig ausbreitet. Es gibt immer einen gewissen Divergenzwinkel. Je weiter das Licht wandert, desto stärker divergiert der Lichtstrahl. Wenn es das Auge oder Teleskop erreicht, wird es zu einem Beugungsfleck mit einem bestimmten Radius. Wissenschaftler nennen es die „Airy-Scheibe“. Wenn zwei Lichtquellen relativ nahe beieinander liegen und ihre Strahlen auf das Auge oder Teleskop treffen, überlappen sich die Airy-Scheiben, sodass es schwierig wird, zwischen beiden zu unterscheiden.

Hanbury Brown - Twiss Interference

Die durch Licht verursachten Probleme müssen gelöst werden, indem man sich auf die Eigenschaften des Lichts verlässt. Vor 70 Jahren kamen zwei Radioastronomen, R. Hanbury Brown und RQ Twiss, beim Blick in die Sterne auf die Idee, die durch Beugung bedingte Auflösungsgrenze durch Lichtinterferenz zu durchbrechen.

Wir wissen, dass Interferenz und Beugung beides Eigenschaften von Wellen sind. Beispielsweise können wir Geräusche hinter Hindernissen hören, was größtenteils auf die Beugung von Schallwellen zurückzuführen ist. Darüber hinaus kommt es auch sehr häufig zu Welleninterferenzen. In einem kleinen Teich überlagern sich bei Nieselregen die von einigen Regentropfen aufgewirbelten Wasserwellen und kreuzen sich, wenn sie aufeinandertreffen, wodurch ein neues Wellenmuster entsteht – die Vibration wird an manchen Stellen verstärkt und an anderen abgeschwächt. Dabei handelt es sich um die Interferenz von Wasserwellen. Was Lichtwellen betrifft, so wussten wir alle schon in der Schule, dass es sich zwar nicht um klassische Wellen handelt, aber auch bei ihnen gibt es ähnliche Beugungs- und Interferenzerscheinungen.

Ähnlich wie bei der Interferenz klassischer Wellen unterliegen auch die Interferenzstreifen von Lichtwellen bestimmten Regeln: Wo sie verstärkt (heller) werden, wo sie abgeschwächt (dunkler) werden, der Abstand zwischen hellen und dunklen Streifen usw. wird durch die folgenden drei Variablen bestimmt: Wellenlänge, Entfernung zwischen Lichtquelle (Stern) und Film (Teleskop) und Entfernung der beiden Lichtquellen (Sterne) zueinander.

Nachdem Sie dies gelesen haben, sollten Sie genau wie Radioastronomen wissen, was zu tun ist, oder? Indem wir die Wellenlänge des Lichts und den Abstand zwischen der Lichtquelle (Stern) und dem Film (Teleskop) festlegen, können wir durch Beobachtung der Interferenzstreifen der beiden Lichtstrahlen umgekehrt auf den Abstand zwischen den beiden Lichtquellen schließen.

Quantenwellen und klassische Wellen, kombiniert, aber unterschiedlich

Da Sie auch an diese Methode gedacht haben, können wir gemeinsam die Umsetzbarkeit prüfen.

Lichtwellen sind Quantenwellen und weisen einige signifikante Unterschiede zu klassischen Wasserwellen und Schallwellen auf. Wie interferieren Lichtwellen? Um dies zu verstehen, wollen wir zunächst eines der berühmtesten Experimente der Quantenmechanik betrachten – Youngs Doppelspalt-Interferenzexperiment.

Der Stellenwert von Youngs Doppelspalt-Interferenzexperiment in der Quantenmechanik ist möglicherweise unübertroffen von jedem anderen Experiment. Die Interferenz und Überlagerung von Wahrscheinlichkeitswellen wird den Menschen in der „Kunst der Klone“ von Elektronen oder Photonen auf magische Weise vor Augen geführt. Später waren viele Experimente in der Quantenmechanik im Wesentlichen Variationen von Youngs Doppelspalt-Interferenzexperiment.

Da es sich bei Quantenwellen um Wahrscheinlichkeitswellen handelt, die die Wahrscheinlichkeit beschreiben, mit der ein Teilchen an einer bestimmten Position erscheint, besteht die sogenannte Beobachtung von Interferenzstreifen eigentlich darin, die Anzahl der detektierten Teilchen (Elektronen oder Photonen) auf dem dahinterliegenden Bildschirm zu betrachten. Je mehr Zählungen, desto heller ist es; je weniger Zählungen, desto dunkler ist es.

Wenn wir Youngs Doppelspalt-Interferenzexperiment diskutieren, übersehen viele Leute versehentlich den wichtigsten und magischsten Mechanismus – das erste Loch ganz links. In Youngs Doppelspalt-Interferenzexperiment ist es dieses Loch, das dafür sorgt, dass die von den beiden Spalten emittierten Photonen denselben Ursprung haben – das heißt, sie sind genau gleich, so identisch, dass nicht einmal Gott sie unterscheiden kann. Andernfalls kann das Interferenzmuster nicht klar dargestellt werden. Dasselbe Prinzip wie bei der Youngschen Interferenz wird beim Doppelspalt-Interferenzexperiment mit Elektronen verwendet. Nur wenn ein Elektron „gleichzeitig“ durch zwei Schlitze hindurchtritt, können auf dem rückwärtigen Schirm Interferenzstreifen entstehen. Werden aus den beiden Schlitzen jeweils zwei inkohärente Elektronenstrahlen emittiert, so sind auf dem hinteren Schirm an den entsprechenden Positionen hinter den beiden Schlitzen nur zwei helle Linien zu sehen.

Damit die Interferenzstreifen der Photonen klar entstehen, müssen daher zwei Bedingungen erfüllt sein: Sie kommen gleichzeitig an und können nicht unterschieden werden.

Dieser Zustand tritt gleichzeitig ein und erfordert eine Signalabgleichstechnologie, die zu einer erheblichen Reduzierung der Ereignisanzahl führt. Dies kann jedoch immer noch durch die verzweifelte Ansammlung von Daten erreicht werden.

Es ist jedoch schwierig zu fordern, dass Photonen nicht unterscheidbar sind. Die wichtigste Grundlage zur Unterscheidung verschiedener Photonen ist die Frequenz, aber wer kann garantieren, dass die beiden zu beobachtenden Objekte genau die gleiche Farbe haben? Es sei denn, es gibt eine Technologie, mit der sich die Frequenz des Lichts ändern lässt, ohne dass sich seine Quanteneigenschaften ändern.

Wäre das vor 70 Jahren gewesen, wären wir an diesem Punkt ratlos gewesen. Doch nun schreiben wir das Jahr 2022. Quantensatelliten wurden ins All geschossen, die Fernleitung Peking-Shanghai wurde gebaut und die Überlegenheit im Bereich des Quantencomputings wurde erreicht. Quantenwissenschaftler haben möglicherweise eine Lösung für das Problem der Interferenz von Licht unterschiedlicher Frequenzen gefunden.

Kristall + Wellenleiter, ein Kampfjet, der Frequenzen umwandelt!

Bei Quantenkommunikationsschemata nehmen die Glasfaserübertragung und die Freiraumübertragung jeweils die Hälfte ein. Bei der Quantenkommunikation über Glasfaser ist die Frequenzkonvertierung ein Problem, das bewältigt werden muss.

Denn in der Quantenkommunikation gibt es viele Situationen, die eine Frequenzumwandlung erfordern. Beispielsweise ist die in der Quantenkommunikation verwendete optische Frequenz möglicherweise nicht das Band, auf das der Detektor am besten reagiert. die Signalfrequenz im freien Raum kann in der Glasfaser stark verloren gehen; wenn Quantenrelais erforderlich sind, ist das Band, das der Repeater speichern und übertragen kann, möglicherweise nicht mit der Glasfaser kompatibel; Manchmal ist die Frequenzumwandlung für die Quantenkommunikation im freien Raum sogar unerlässlich. Damit die Quantenkommunikation beispielsweise tagsüber sinnvoll ist, muss die Frequenz mit der des Sonnenlichts abgestimmt sein. Daher ist die Frequenzkonversion die Stärke der Wissenschaftler auf dem Gebiet der Quantenkommunikation.

Der Grund, warum dies möglich ist, liegt eigentlich im Aufkommen der nichtlinearen Optik in den 1960er Jahren. Im Jahr 1961 öffnete der zweite harmonische Effekt eines Rubinlasers den Vorhang zur nichtlinearen Optik. Seitdem sind abwechselnd Helden aus allen Gesellschaftsschichten ins Spiel gekommen und es sind verschiedene nichtlineare optische Technologien und Materialien entstanden. Unter diesen wird häufig ein Material namens Lithiumniobat verwendet. Lithiumniobat ist ein negativ einachsiger Kristall mit Doppelbrechungseffekt. Es ist außerdem ein Ferroelektrikum mit großer spontaner Polarisationsintensität und nichtlinearem Koeffizienten.

Das Wesentliche nichtlinearer optischer Prozesse ist die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Die von uns häufig verwendeten Summenfrequenz-, Frequenzverdopplungs- und Differenzfrequenzprozesse sind allesamt nichtlineare Umwandlungsprozesse. Dabei nimmt das Signallicht allmählich ab und wird in das von uns benötigte Summenfrequenzlicht, Frequenzverdoppelungslicht und Differenzfrequenzlicht umgewandelt.

Der Kern der Frequenzumwandlung mit nichtlinearen Kristallen ist die Quasi-Phasenanpassung, also die Impulserhaltung, die zu einer hohen Umwandlungseffizienz führt. Normalerweise kann durch die Verwendung periodischer nichtlinearer Kristalle bei geeigneten Parametern die Frequenzumwandlungseffizienz sogar nahe 1 liegen.

Wenn Lithiumniobat ein ganz hervorragendes nichtlineares Material ist, dann ist seine Kombination mit Wellenleitern eine perfekte Ergänzung. Wissenschaftler haben Lithiumniobatkristalle periodisch gepolt und dann eine optische Wellenleiterstruktur im Kristall gebildet. Mit dieser Methode entwickelten sie das beste Gerät zur Frequenzumwandlung – einen periodisch gepolten Lithiumniobat-Wellenleiter. Der Wellenleiter ermöglicht ein gutes Andocken an die Glasfaser und begrenzt gleichzeitig den Lichtstrahl sehr gut. Mithilfe des Wellenleiters wird die Umwandlungseffizienz des periodisch polarisierten Lithiumniobatkristalls erheblich verbessert. Der Einzelphotonendetektor verfügt über die Geheimwaffe eines periodisch polarisierten Lithiumniobat-Wellenleiters, der es ihm ermöglicht, seine Leistungsfähigkeit auf dem Gebiet der Quantenkommunikation unter Beweis zu stellen.

Probieren Sie es aus

Da sie nun über eine gute Waffe verfügen, sind die Wissenschaftler bereit zu testen, ob diese Methode der Frequenzkonvertierung bei der Hanbury-Brown-Twiss-Interferometrie wirksam sein kann.

Im Experiment gleicht der von Wissenschaftlern speziell entwickelte periodisch polarisierte Lithiumniobat-Wellenleiter einer geheimnisvollen Schachtel in den Händen eines Zauberers. Wenn ein 1550 nm-Photon eintritt, besteht eine 50-prozentige Wahrscheinlichkeit, dass es in ein 863 nm-Photon umgewandelt wird, und die andere 50-prozentige Wahrscheinlichkeit, dass es unverändert bleibt; Ebenso besteht eine 50-prozentige Wahrscheinlichkeit, dass ein 863-nm-Photon in ein 1550-nm-Photon umgewandelt wird, und die andere 50-prozentige Wahrscheinlichkeit, dass es unverändert bleibt. Wenn der Detektor ein Photon erkennt, kann er daher nicht unterscheiden, ob es sich bei dieser Frequenz um sein ursprüngliches Erscheinungsbild handelt oder ob sie geschickt umgewandelt wurde. Nach dieser Umwandlung sind die Photonen für den Detektor nicht mehr zu unterscheiden.

Die Ergebnisse haben nicht enttäuscht. Im Jahr 2019 arbeiteten Pan Jianwei, Zhang Qiang und andere von der University of Science and Technology of China mit Frank Wilczek vom Massachusetts Institute of Technology zusammen, um unter Verwendung des konstruierten farbunabhängigen Detektors ein experimentelles System zur Zweifarben-Intensitätsinterferenz zu bauen. Sie erreichten eine Intensitätsinterferenz von 1550 nm- und 863 nm-Lichtquellen und überprüften diese in kohärenten Lichtquellen, thermischen Lichtquellen und Weltraumexperimenten. Die Ergebnisse waren wie erwartet. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass nach dem Einschalten des nichtlinearen Geräts die Interferenzstreifen deutlich sichtbar sind (die rote Kurve in Abbildung c), wenn das nichtlineare Gerät jedoch nicht eingeschaltet ist, sind keine Interferenzstreifen sichtbar (die blaue Kurve in Abbildung c). Die entsprechenden Ergebnisse wurden in Physical Review Letters [1] veröffentlicht.

Verlassen Sie den Raum und überwinden Sie die Wellenlängenbarriere

Nach Abschluss der Überprüfung im Labor wollten die Wissenschaftler das Haus verlassen und überprüfen, wie diese Interferenztechnologie im freien Raum im Freien funktioniert. Noch wichtiger ist jedoch, dass die Wissenschaftler hoffen, ein noch wichtigeres Problem zu lösen: die Aufhebung der strengen Wellenlängenbeschränkungen.

Nach bisherigen technischen Methoden stellt man fest, dass die Wellenlänge der zu beobachtenden Lichtquelle stark eingeschränkt ist und die Frequenzen der beiden zu messenden Photonen nicht zu nahe beieinander liegen dürfen. Dies wird durch die technische Vorgehensweise „nichtlinearer Kristall + Wellenleiter“ bestimmt.

Photonen erreichen eine Frequenzumwandlung durch nichtlineare Kristalle, oft durch einen Summenfrequenz- (oder Differenzfrequenz-)Prozess (Sum-frequency Generation, SFG). Man nennt dies Summenfrequenzverfahren, weil wir es uns vereinfacht so vorstellen können: Ein Signallicht mit einer Frequenz von ω1 durchläuft mit Unterstützung eines Pumplichts mit einer Frequenz von ω2 einen nichtlinearen Kristall, um ein Summenfrequenzlicht mit einer Frequenz von ω3 (=ω1+ω2) zu erhalten. (Wenn es sich um einen Differenzfrequenzprozess handelt, dann ist ω3=ω1-ω2 und das Prinzip ist ähnlich.) Man kann sich vorstellen, dass es immer noch einfach ist, ein geeignetes Pumplicht zu finden, wenn man wie zuvor Lichtquellen mit großen Wellenlängen- (Frequenz-)Unterschieden wie 1550 nm und 863 nm ineinander umwandelt; und wenn ω1 des Signallichts sehr nahe an ω3 des Summenfrequenzlichts liegt, bedeutet dies, dass die Frequenz ω2 des Pumplichts sehr klein ist. Zu diesem Zeitpunkt ist der für ω1 und ω3 geeignete Wellenleiter möglicherweise nicht sehr gut für ω2 geeignet, und es tritt eine technische Einschränkung auf.

Um das Problem zu lösen, haben die Wissenschaftler die Idee aufgegeben, ω1- und ω3-Licht ineinander umzuwandeln. Stattdessen lassen sie das ω1- und ω3-Licht jeweils einen nichtlinearen Prozess durchlaufen und zur Interferenz in Photonen derselben Frequenz umwandeln. Auf diese Weise können die beiden passende Pumplichter finden, die zueinander passen, was das Problem der Beobachtungswellenlängenbeschränkung perfekt löst und den Anwendungsbereich der Farblöschinterferenzmethode erheblich erweitert.

Darüber hinaus haben Wissenschaftler auch die bisherigen räumlichen Beschränkungen durchbrochen und sind aus dem Labor herausgetreten, um zu versuchen, herauszufinden, ob sie im freien Raum zwei Lichtquellen beobachten können, die weit voneinander entfernt und sehr nahe beieinander liegen.

Phase - der ortsaufgelöste Bote

Diese verbesserte Version muss nicht nur die Beschränkungen hinsichtlich Innenraum und Wellenlänge überwinden, sondern stellt auch eine weitere Herausforderung dar: Die Wissenschaftler möchten das vollständige Bild der Photonen sehen, das heißt, das Ziel durch Erkennen und Analysieren der Phaseninformationen der Photonen räumlich auflösen.

Wenn es um Phaseninformationen geht, neigen Sie möglicherweise dazu, deren Bedeutung zu übersehen. Wie schätzt unser Gehirn beispielsweise auf einem flachen Foto die Entfernung von Objekten ein? Es handelt sich dabei lediglich um das Treffen logischer Urteile auf der Grundlage von Informationen wie Okklusion und Größe. Wenn beispielsweise Person A Person B blockiert, denken wir, dass A vorne und B hinten ist. Wenn wir dieselben Bäume sehen, aber A größer und B kleiner ist, denken wir, A sei nah und B weit weg. Ohne diese Informationen wäre es für uns schwierig, die Entfernung genau einzuschätzen.

Bei holografischen Fotos ist dies jedoch nicht der Fall. Holografische Fotos zeichnen nicht nur die Frequenz- und Intensitätsinformationen des Lichts auf, sondern auch die Phaseninformationen des Lichts. Das heißt, wenn das Licht Ihre Augen erreicht, verrät es Ihnen unsichtbar, woher es kommt. Daher wird das Bild des Objekts dreidimensional vor uns angezeigt, genau wie die realen Objekte, die wir normalerweise sehen. Daher kann durch das Hinzufügen von Phaseninformationen sichergestellt werden, dass die Photonen, die eine weite Strecke zurückgelegt haben, nicht umsonst waren.

In dieser verbesserten Version des Farblöschungsinterferenzexperiments konzentrierten sich die Wissenschaftler auf die Phase. Wie in der Abbildung unten gezeigt, sind in diesem Versuchsaufbau S1 und S2 zwei weit entfernte Lichtquellen, die sehr nahe beieinander liegen, und TA und TB sind zwei Teleskope, die zur Beobachtung verwendet werden. Die Phaseninformationen zwischen der Lichtquelle und dem Teleskop beeinflussen den Grad der Kohärenz an jeder Position auf der Linie, die die beiden Teleskope verbindet. Die Experimentatoren beobachten die Interferenz an jeder Position auf dieser Linie und verwenden die Phaseninformation als Medium, um durch Messung, Analyse und Berechnung den Winkelabstand der Lichtquelle zu ermitteln, d. h. das Verhältnis des Abstands d zwischen den beiden Lichtquellen zum Abstand x zwischen den beiden Teleskopen.

Im eigentlichen Experiment arbeiteten Pan Jianwei, Zhang Qiang und andere von der University of Science and Technology of China mit Frank Wilczek vom Massachusetts Institute of Technology zusammen, um ein Farblösch-Intensitätsinterferometer unter Verwendung eines periodisch polarisierten Lithiumniobat-Wellenleiters zu bauen, der vom Jinan Institute of Quantum Technology entwickelt wurde. Es gelang ihnen, zwei Lichtquellen in einer Entfernung von 1,43 Kilometern und einem Abstand von 4,2 Millimetern zu unterscheiden, deren Wellenlängen 1063,6 bzw. 1064,4 Nanometer betrugen und die die Beugungsgrenze eines einzelnen Teleskops um etwa das 40-Fache überschritten. Dabei wurde nicht nur die Wellenlängenbeschränkung durchbrochen, sondern auch die Phaseninformationen der Fourier-Transformation des abgebildeten Objekts gewonnen. Die entsprechenden Ergebnisse wurden kürzlich in Physical Review Letters [2] veröffentlicht.

Mit der Einführung dieser Technologie wurde nicht nur der Plan zweier astronomischer Vorgänger, Hanbury Brown und Twiss, verwirklicht, sodass die Menschen endlich zwei Sterne mit ähnlicher Entfernung und unterschiedlicher Farbe klar erkennen konnten, sondern auch die Grenzen der optischen Beobachtung wurden erweitert. Wissen Sie, es sind nicht nur Astronomen, die die „Sterne“ klar sehen möchten. Für viele Biologen sind winzige fluoreszierende Moleküle die „hellsten Sterne“ in ihren Augen. Allerdings bereitet es oft Schwierigkeiten, sie deutlich zu erkennen, da sie zu klein und zu nah beieinander liegen. Mit dieser farbunabhängigen Intensitätsinterferenz-Erkennungstechnologie können Biologen auch zwischen zwei fluoreszierenden Molekülen unterschiedlicher Farbe unterscheiden.

In Zukunft werden Wissenschaftler das Phasenrauschen innerhalb des Systems weiter reduzieren, um das System genauer und empfindlicher zu machen. In Kombination mit zukünftiger hochpräziser Zeit- und Frequenzübertragungstechnologie und Teleskop-Arrays werden die Anwendungsszenarien erheblich erweitert. Ob es sich nun um die Beobachtung kosmischer Sterne, Weltraummüll oder biologischer Moleküle handelt, es wird seine Einzigartigkeit und Unersetzlichkeit unter Beweis stellen.

Link zum Artikel:

[1] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.243601

[2] https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.127.103601

Quelle: Mozi Salon

Der Mozi Salon ist ein großes öffentliches Wissenschaftsforum, das nach dem chinesischen Weisen „Mozi“ benannt ist. Gastgeber ist das Shanghai Research Institute der University of Science and Technology of China, und gemeinsam organisiert werden die USTC New Alumni Foundation, die USTC Education Foundation, die Pudong New Area Science and Technology Association, die China Association for Science and Technology und das Pudong New Area Science and Technology and Economic Committee.

Mozi war im alten China ein berühmter Denker und Wissenschaftler. Seine Gedanken und Errungenschaften verkörperten die frühen wissenschaftlichen Embryonen meines Landes. Ziel der Gründung des „Mozi Salon“ ist es, die wissenschaftliche Tradition fortzuführen und weiterzuführen, eine soziale Atmosphäre zu schaffen, die die Wissenschaft respektiert, die wissenschaftliche Bildung der Bürger zu verbessern und den wissenschaftlichen Geist zu fördern. Die Zielgruppe der Wissenschaftspopularisierung ist die breite Öffentlichkeit, die die Wissenschaft liebt und über einen Entdeckergeist und Neugier verfügt. Wir hoffen, dass wir es der Öffentlichkeit mit mindestens High-School-Abschluss ermöglichen, die weltweit modernsten wissenschaftlichen Fortschritte und Ideen zu verstehen und wertzuschätzen.