Tutkimus

Fotonipari mittaa pyörimistä herkemmin kuin yksittäinen fotoni

Havainnekuvassa fotonit kasautuvat kahden fotonin tilaan, jonka rakenne on tehty näkyväksi valitsemalla tilasta muoto, jossa molemmat fotonit voivat löytyä samasta paikasta. Kuva: Markus Hiekkamäki / Tampereen yliopisto.
Valon kvanttitiloihin perustuvilla optisilla mittaustekniikoilla on mahdollista mitata etäisyyttä ja sijaintia tarkemmin kuin esimerkiksi lasereilla. Kvanttimekaniikkaan perustuva mittausteknologia eli kvanttimetrologia otti taas askeleen eteenpäin, kun suomalaisten ja kanadalaisten tutkijoiden ryhmä osoitti, että fotonien pyörimistä voidaan havaita paremmin lomittamalla fotonit monimutkaisten rakenteiden välillä. Uuden menetelmän avulla on mahdollista saavuttaa mittaustarkkuuksia, joihin ei kyetä tavanomaisilla menetelmillä.

Kvanttimetrologian tutkijat kehittävät uusia kvanttimekaniikkaan perustuvia mittausmenetelmiä, jotka ovat tavanomaisia menetelmiä tarkempia. Kansainvälinen ryhmä tutkijoita Tampereen yliopistosta ja Kanadan kansallisesta tutkimusneuvostosta on osoittanut, kuinka fotonien pyörimistä voidaan mitata tarkemmin kaksifotonisilla N00N-tiloilla kuin vastaavilla klassisilla valonsäteillä. Ryhmän tutkimustulokset on julkaistu arvostetussa Physical Review Letters – lehdessä.

– Kokeellisessa tutkimuksessamme esittelemme yksinkertaisen tekniikan, jolla kahden fotonin poikittaisrakenteiden kvanttitiloja voidaan räätälöidä eri käyttötarkoituksiin. Menetelmä avaa uusia mahdollisuuksia kvanttimetrologian tekniikoiden kehittämiseen ja testaamiseen, kertoo artikkelin ensimmäinen kirjoittaja, tohtoriopiskelija Markus Hiekkamäki Tampereen yliopistosta.

Kohti kvanttimekaniikan asettamaa maksimimittaustarkkuutta

Uusi menetelmä hyödyntää kahden fotonin välistä interferenssiä eli fotonien kasautumista. Toisin kuin ilmiön yleisimmässä esimerkissä, jossa fotonit kasautuvat samaan valonsäteen suuntaan, uudessa menetelmässä ne kasautuvat samaan poikittaisrakenteeseen. 

– Kvantti-interferenssin seurauksena kaksi fotonia lomittuu. Tämän tilan fotonipari antaa paremman mittaustarkkuuden pyörimiselle verrattaessa samaan määrään yksittäisiä fotoneita tai laservaloa. Mittaustuloksillamme osoitimme, että esitellyn menetelmän avulla on mahdollista saavuttaa kvanttimekaaninen raja mittalaitteen herkkyydessä, sanoo tenure track -professori Robert Fickler, joka johtaa Experimental Quantum Optics -tutkimusryhmää Tampereen yliopistossa.

Menetelmä mahdollistaa sekä valon pyörimisen mittauksen että monenlaisten muiden kvanttitilojen luomisen valon poikittaisrakenteilla. Tästä syystä menetelmää voidaan hyödyntää monien erilaisten systeemien ominaisuuksien mittaamisessa sekä valon monifotonisten kvanttitilojen testaamisessa.    

Seuraavaksi tutkijat aikovat hyödyntää uutta menetelmää tutkiakseen eri kvanttitilojen Gouy-vaiheetta, joka on yksi aaltojen perusominaisuuksista. Lisäksi he tutkivat kuinka menetelmää voitaisiin soveltaa muissakin kvanttiteknologiaan perustuvissa mittausmenetelmissä kuin pyörimisen mittauksessa.    

Lue Physical Review Letters -lehdessä ilmestynyt artikkeli Photonic Angular Superresolution Using Twisted N00N States.

Lisätietoja

Markus Hiekkamäki
markus.hiekkamaki [at] tuni.fi

Aiheeseen liittyviä uutisia

Uusimmat uutiset kategoriassa Tutkimus

Uusimmat uutiset