Четирифотонната томография ще помогне за разбирането на оптичните процеси
Многофотонното заплитане може да подобри качеството на фотонната томография
Изображение: Университет на Бристол
Когато учените говорят за действието на различни системи върху квантовите частици (например единични фотони или електрони), тогава говорим за специален клас квантови действия. Благодарение на тях функционират лазери, фотосинтетични центрове на растенията, оптични устройства и много други. В повечето случаи изследователите имат работа с квантова „черна кутия“ – неизвестно влияние, което искате да изследвате, проучите и след това да го използвате възможно най-ефективно.
Обикновено такива "кутии" се "сондират" чрез преминаване на частици (например фотони) през тях с известно квантово състояние, например поляризация. Учените правят списък с правила, според които едно състояние преминава в друго и по този начин получават информация за процеса, протичащ в "черната кутия". Тази техника се нарича процесна квантова томография.
Основният проблем пред учените е, че единичните измервания не показват пълната дълбочина на "черната кутия". Например, ако това е дифракционна решетка, тогава 10 фотона няма да са достатъчни, за да видите дифракционната картина - ще изглежда, че те се отклоняват от нея случайно. Следователно изследователите трябва да извършат много различни измервания с различни начални състояния на фотоните. Съществуват обаче редица много уязвими системи, които не могат да издържат на голям брой измервания. Затова учените се стремят да увеличат максимално ефективността на томографията – тогава те ще могат да анализират много повече различни обекти. Оказа се, че за това могат да помогнат групи от фотони, свързани по специален начин, преминали през „черната кутия“ едновременно.
Как учените получаваттомограма на процеса? Ако рентгеновата томография позволява на лекарите да видят вътрешната структура на нашето тяло, то квантовата томография дава на учените информация за това как работи основната характеристика на процеса, операторската матрица. Операторът тук е математическа конструкция, функция, която описва как, например, поляризацията на фотона се променя в резултат на процеса. В най-простия случай може да се опише с таблица от четири комплексни числа.
Квантовата механика ограничава възможните действия върху частиците до специален клас оператори, наречени унитарни. Тази концепция казва, че ако един и същ такъв оператор („метод“) действа върху която и да е двойка вектори, тогава техният скаларен ермитов продукт няма да се промени от това. Благодарение на това ограничение таблицата, от която се нуждаем, вече е написана с четири „обикновени“, реални числа a, b, c, d.