鱼眼透镜可以产生原子间的量子纠缠

鱼眼透镜可以使原子对纠缠在一起

詹姆斯·麦克斯韦是第一个意识到光可以在鱼眼透镜内以完美的圆周运动的人,因为透镜的密度会发生变化,中间的材料最厚,然后逐渐向边缘变薄。

大约150年前,物理学家詹姆斯·麦克斯韦提出,一个中心最厚,边缘逐渐变薄的圆形透镜,应该表现出一些迷人的光学特性。也就是说,当光线穿过这样的透镜时,它会以完美的圆周运动,创造出极不寻常的弯曲光路。

他还指出,至少从广义上讲,这种透镜就像鱼的眼睛。他设计的透镜结构在物理学上被称为麦克斯韦的鱼眼透镜——这是一种理论结构,只是稍微类似于用于照相机和望远镜的商用鱼眼透镜。

现在科学家们麻省理工学院哈佛大学首次从量子力学的角度研究了这种独特的理论透镜,以观察单个原子和光子在透镜中的行为。在周三发表在《物理评论a》(Physical Review a)上的一项研究中,他们报告说,鱼眼透镜的独特结构使它能够引导单个光子穿过透镜,从而使原子对纠缠在一起,即使在相对较远的距离上也是如此。

纠缠是一种量子现象,在这种现象中,一个粒子的特性与另一个粒子的特性相连或相关,即使相隔很远。研究小组的发现表明,鱼眼透镜可能是一种很有前途的工具,用于纠缠原子和其他量子位元,而这些量子位元是设计量子计算机的必要构件。

“我们发现鱼眼透镜具有其他二维设备所没有的东西,它能在大距离内保持这种纠缠能力,不仅对两个原子,而且对多对相距较远的原子。”麻省理工学院物理系研究生、第一作者Janos perzel说。“纠缠和连接这些不同的量子位元确实是推动并试图找到量子力学应用的游戏名称。”

研究小组还发现,与最近的说法相反,鱼眼镜头并不能产生完美的图像。科学家们认为麦克斯韦的鱼眼可能是一个“完美透镜”的候选者——一个可以超越衍射极限的透镜,这意味着它可以将光聚焦到一个比光自身波长更小的点。科学家预测,这种完美的成像技术将产生一幅分辨率无限、清晰度极高的图像。

然而,通过模拟鱼眼透镜在量子水平上模拟光子的行为,perzel和他的同事得出结论,它不能像最初预测的那样产生完美的图像。

“这告诉你,物理学中的这些限制真的很难打破,”Perczel说。“即使在这个系统中,它似乎是一个完美的候选人,这个限制似乎是遵守的。也许完美的成像可能仍然可以用鱼眼以其他一些更复杂的方式,但不是最初提出的。“

佩泽尔的论文合著者是哈佛大学的彼得·科马和米哈伊尔·鲁金。

圆形路径

Maxwell是第一个意识到光线能够在鱼眼镜片内的完美圆圈中行进,因为镜片的密度变化,材料在中间最厚,朝向边缘逐渐变薄。更密集的材料,较慢的灯光通过它移动。这解释了当吸管放在充满水的玻璃杯中时的光学效应。因为水比它上方的空气如此密集,所以光突然移动得更慢,弯曲在水中行进并创造看起来像吸管的图像一样脱节。

在理论上的鱼眼透镜中,密度的差异要渐进得多,并且呈圆形分布,从而使光线弯曲而不是弯曲,引导光线在透镜内形成完美的圆形。

提出,2009年,以色列魏茨曼科学研究所的物理学家是研究麦克斯韦鱼眼镜头的光学特性,观察到,当光子释放通过镜头从一个点光源,光在完美的圆圈通过镜头和收集在一个点在另一端,光损失很小。

“没有一个光线在不需要的方向上徘徊,”Perczel说。“一切都遵循完美的轨迹,所有光线都会在同一位置同时见面。”

莱昂哈特在报告他的研究结果时,简要提到了鱼眼透镜的单点焦点在精确纠缠透镜两端的原子对时是否有用。

“米哈伊尔(卢金)问他是否想出了答案,他说还没有,”佩泽尔说。“我们就这样开始了这个项目,并开始深入挖掘这种纠缠操作在鱼眼镜头中的运作情况。”

玩Photon Ping-Pong

为了研究鱼眼镜透镜的量子电位,研究人员将镜头建模为最简单的系统,由两个原子组成,在二维鱼眼镜头的任一端,一个光子,瞄准第一的原子。利用建立的量子力学方程,研究小组追踪光子在任何给定时间点穿过透镜的情况,并计算出两个原子的状态和它们在时间中的能级。

他们发现,当一个光子穿过透镜时,它会被透镜一端的原子暂时吸收。然后它绕着透镜旋转,到达透镜另一端的第二个原子。第二个原子暂时吸收光子,然后通过透镜将其发送回去,光线在透镜上精确地收集回第一个原子。

“光子来回反弹,原子基本上正在打乒乓球,”Perczel说。“最初只有一个原子具有光子,然后是另一个原子。但是在这两个极端之间,有一个点,他们都有它。这是吹缠绕的缠绕的​​令人兴奋的缠结的想法,其中光子在两个原子之间完全共用。“

Perczel说,由于鱼眼透镜的独特几何形状,光子能够缠绕原子。镜头的密度以这样的方式分布,使得它以完美的圆形图案引导光,并且甚至可以使单个光子沿着圆形路径沿两个精确点之间来回弹跳。

“如果光子刚刚飞到各个方向,那么就没有任何缠结,”Perczel说。“但是鱼眼在光线上给出了这一总控制,因此您可以长距离纠缠系统,这是您可以使用的珍贵量子系统。”

当他们在模型中增加鱼眼透镜的尺寸时,原子仍然纠缠在一起,即使是在几十微米的相对距离之外。他们还观察到,即使有一些光从透镜中逃逸,原子也能够共享足够的光子能量,以保持纠缠。最后,当他们在透镜中放置更多对彼此相对的原子,以及相应的光子时,这些原子也同时变得纠缠。

“你可以用鱼眼缠绕一次多对原子,这就是使它有用和有前途的东西,”Perczel说。

可疑的秘密

光子和原子的行为建模的鱼眼镜头的镜头,研究人员还发现,随着光收集在镜头的另一端,这样做在一个区域,比光子的波长的光,这意味着镜头可能不能制造一个完美的形象。

“我们可以精确地提出这个问题在这个光子交换期间,光子被回忆的地方的大小是多少?我们发现它与光子的波长相当,而不是小的,“Perczel说。“完美的成像意味着它将专注于无限尖锐的地方。但是,这不是我们的量子力学计算显示给我们的东西。“

展望未来,该团队希望与实验人员合作,测试他们在模型中观察到的量子行为。事实上,在他们的论文中,该团队还简要地提出了一种为量子纠缠实验设计鱼眼透镜的方法。

“鱼眼透镜仍然有它的秘密,以及隐藏在其中的非凡的物理学,”perzel说。“但现在它出现在量子技术中,结果证明,这种透镜对纠缠遥远的量子比特非常有用,这是构建任何有用的量子计算机或量子信息处理设备的基本构件。”

出版物:J.Perczel等,“Maxwell的鱼眼镜片中的Quantum Optics,具有单个原子和光子”,物理。Rev. A,2018;DOI:10.1103 / physreva.98.033803

2评论“鱼眼透镜可能产生原子间的量子纠缠”

  1. 鱼眼透镜的密度如何/为什么会随着透镜的厚度而变化?还是鱼眼镜头只是一个数学概念,与玻璃制成的镜头没有联系?

    鱼眼镜头的另一端是什么,在哪里?

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