Sumber: Fakultas Fisika University of Warsaw
Sampai baru-baru ini, menciptakan hologram dari foton tunggal diyakini tidak mungkin karena hukum dasar fisika. Namun, para ilmuwan di Fakultas Fisika, Universitas Warsawa, telah berhasil menerapkan konsep holografi klasik ke dunia fenomena kuantum. Sebuah teknik pengukuran baru telah memungkinkan mereka untuk mendaftarkan hologram pertama dari partikel cahaya tunggal, sehingga shedding cahaya baru pada dasar-dasar mekanika kuantum.
Percobaan spektakuler tersebut, dilaporkan dalam jurnal bergengsi Nature Photonics, dilakukan oleh Dr Radoslaw Chrapkiewicz dan Michal Jachura dan di bawah pengawasan Dr Wojciech Wasilewski dan Prof. Konrad Banaszek. sukses mendaftarkan mereka pada penemuan hologram dari foton tunggal mengantarkan pada era baru holografi: holografi kuantum, yang menjanjikan dan menawarkan perspektif baru tentang fenomena kuantum.
"Kami melakukan percobaan yang relatif sederhana untuk mengukur dan melihat sesuatu yang sangat sulit untuk diamati: bentuk muka gelombang dari foton tunggal," kata Dr Chrapkiewicz.
Dalam fotografi standar, poin individu dari suatu gambar daftar intensitas cahaya saja. Dalam holografi klasik, fenomena gangguan juga register fase gelombang cahaya (itu adalah fase yang membawa informasi tentang kedalaman gambar). Ketika hologram dibuat, dijelaskan, tidak terganggu gelombang cahaya (gelombang referensi) ditumpangkan dengan gelombang lain dari panjang gelombang yang sama tetapi tercermin dari objek tiga dimensi (puncak dan palung dari dua gelombang dialihkan ke derajat yang bervariasi di poin yang berbeda dari gambar). Hal ini menyebabkan gangguan dan perbedaan fase antara dua gelombang menciptakan pola garis rumit. hologram seperti itu kemudian diterangi dengan sinar cahaya referensi untuk menciptakan tata ruang dari muka gelombang dari cahaya yang dipantulkan dari objek, dan dengan demikian bentuk 3D-nya.
Orang mungkin berpikir bahwa mekanisme yang sama akan diamati ketika jumlah foton menciptakan dua gelombang dikurangi menjadi minimum, yaitu foton referensi tunggal dan foton tunggal tercermin objek. Namun Anda akan salah! Fase foton individu terus berfluktuasi, yang mungkin membuat gangguan klasik dengan foton lainnya. Karenanya, fisikawan Warsawa menghadapi tugas yang tampaknya mustahil, mereka berusaha untuk mengatasi masalah ini dengan cara berbeda: daripada menggunakan gangguan klasik gelombang elektromagnetik, mereka mencoba untuk mendaftar interferensi kuantum di mana fungsi gelombang foton berinteraksi.
fungsi gelombang adalah konsep dasar dalam mekanika kuantum dan inti dari persamaan yang paling penting: persamaan Schrödinger. Di tangan seorang ahli fisika yang terampil, fungsi dapat dibandingkan dengan dempul di tangan seorang pematung: ketika ahli berbentuk, dapat digunakan untuk 'cetakan' model dari sistem partikel kuantum. Fisikawan selalu berusaha untuk belajar tentang fungsi gelombang partikel dalam sistem tertentu, karena persegi modulus mewakili distribusi probabilitas untuk menemukan partikel dalam keadaan tertentu, yang sangat berguna.
"Semua ini mungkin terdengar agak rumit, tetapi dalam prakteknya percobaan kami sederhana pada intinya: bukannya melihat perubahan intensitas cahaya, kita melihat kemungkinan perubahan mendaftarkan pasangan foton setelah interferensi kuantum," jelas mahasiswa doktor Jachura.
Mengapa pasangan foton? Setahun yang lalu, Chrapkiewicz dan Jachura menggunakan kamera inovatif yang dibangun di Universitas Warsawa untuk melihat perilaku pasangan foton dibedakan dan non-dibedakan memasuki beam splitter. Ketika foton dibedakan, perilaku mereka di beam splitter adalah acak: salah satu atau kedua foton dapat ditransmisikan atau dipantulkan. foton non-dibedakan menunjukkan interferensi kuantum, yang mengubah perilaku mereka: mereka bergabung menjadi pasangan-pasangan dan selalu ditransmisikan atau dipantulkan bersama-sama. Hal ini dikenal sebagai gangguan dua-foton atau efek Hong-Ou-Mandel.
"Setelah percobaan ini, kami terinspirasi untuk bertanya apakah dua-foton interferensi kuantum dapat digunakan mirip dengan gangguan klasik di holografi untuk menggunakan foton dikenal-negara untuk mendapatkan informasi lebih lanjut tentang foton tidak diketahui-negara. Analisis kami mendorong kami untuk mengejutkan kesimpulan: ternyata ketika dua foton menunjukkan interferensi kuantum, yang tentu saja gangguan ini tergantung pada bentuk muka gelombang mereka, "kata Dr Chrapkiewicz.
Kredit: FUW / dualcolor.pl / JCH
Interferensi kuantum dapat diamati dengan mendaftarkan pasangan foton. Percobaan perlu diulang beberapa kali, selalu dengan dua foton dengan sifat identik. Untuk memenuhi kondisi tersebut, setiap percobaan dimulai dengan sepasang foton dengan muka gelombang datar dan polarisasi tegak lurus; ini berarti bahwa medan listrik dari setiap foton bergetar di satu pesawat saja, dan pesawat ini adalah tegak lurus untuk dua foton. Polarisasi yang berbeda memungkinkan untuk memisahkan foton dalam kristal dan membuat salah satu dari mereka 'tidak diketahui' oleh melengkung muka gelombang mereka menggunakan lensa silinder. Setelah foton tercermin oleh cermin, mereka diarahkan menuju splitter balok (kristal kalsit). splitter tidak mengubah arah foton vertikal terpolarisasi, tapi itu menyimpang diplace horizontal-terpolarisasi foton. Dalam rangka untuk membuat setiap arah kemungkinan sama dan memastikan kristal bertindak sebagai splitter balok, pesawat dari polarisasi foton yang dibengkokkan oleh 45 derajat sebelum foton masuk splitter. Foton yang terdaftar menggunakan state-of-the-art kamera yang dirancang untuk percobaan sebelumnya. Dengan mengulangi pengukuran beberapa kali, para peneliti memperoleh gambar gangguan sesuai dengan hologram dari foton tidak diketahui dilihat dari satu titik dalam ruang. Gambar itu digunakan untuk sepenuhnya merekonstruksi amplitudo dan fase dari fungsi gelombang foton tidak diketahui.
Percobaan yang dilakukan oleh fisikawan Warsawa adalah langkah besar untuk meningkatkan pemahaman kita tentang prinsip-prinsip dasar mekanika kuantum. Sampai saat ini, belum ada metode eksperimental sederhana untuk mendapatkan informasi tentang fase fungsi gelombang foton. Meskipun mekanika kuantum memiliki banyak aplikasi, dan telah diverifikasi berkali-kali dengan gelar besar akurasi selama abad terakhir, kami masih tidak dapat menjelaskan apa fungsi gelombang sebenarnya adalah: apakah mereka hanya alat matematika yang berguna, atau mereka sesuatu yang nyata ?
"Percobaan kami adalah salah satu yang pertama memungkinkan kita untuk melihat langsung salah satu parameter fundamental fungsi gelombang foton - fase - membawa kita selangkah lebih dekat untuk memahami apa fungsi gelombang sebenarnya," jelas Jachura.
Warsawa fisikawan digunakan holografi kuantum untuk merekonstruksi fungsi gelombang dari foton individu. Para peneliti berharap bahwa di masa depan mereka akan dapat menggunakan metode yang sama untuk menciptakan fungsi gelombang benda kuantum yang lebih kompleks, seperti atom tertentu. Akan holografi quantum menemukan aplikasi di luar laboratorium sampai batas yang sama seperti holografi klasik, yang secara rutin digunakan dalam keamanan (hologram sulit palsu), hiburan, transportasi (dalam scanner mengukur dimensi kargo), pencitraan mikroskopis dan data optik menyimpan dan teknologi pengolahan?
"Sulit untuk menjawab pertanyaan ini hari ini kita semua -. Maksudku fisikawan -. Pertama harus mendapatkan kepala kita di sekitar alat baru ini Kemungkinan bahwa aplikasi nyata dari holografi kuantum tidak akan muncul selama beberapa dekade, tapi jika ada satu hal kita dapat yakin itu bahwa mereka akan mengejutkan, "merangkum Prof. Banaszek.
Artikel ini telah diterbitkan dari bahan yang disediakan oleh University of Colorado Cancer Center. Catatan: Bahan mungkin telah diedit untuk panjang dan konten. Untuk informasi lebih lanjut, silahkan hubungi sumber yang dikutip.
Kutipan:
Radosław Chrapkiewicz, Michał Jachura, Konrad Banaszek & Wojciech Wasilewski. Hologram dari foton tunggal. Nature Photonics: 2016. DOI: 10.1038 / nphoton.2016.129
Sampai baru-baru ini, menciptakan hologram dari foton tunggal diyakini tidak mungkin karena hukum dasar fisika. Namun, para ilmuwan di Fakultas Fisika, Universitas Warsawa, telah berhasil menerapkan konsep holografi klasik ke dunia fenomena kuantum. Sebuah teknik pengukuran baru telah memungkinkan mereka untuk mendaftarkan hologram pertama dari partikel cahaya tunggal, sehingga shedding cahaya baru pada dasar-dasar mekanika kuantum.
Percobaan spektakuler tersebut, dilaporkan dalam jurnal bergengsi Nature Photonics, dilakukan oleh Dr Radoslaw Chrapkiewicz dan Michal Jachura dan di bawah pengawasan Dr Wojciech Wasilewski dan Prof. Konrad Banaszek. sukses mendaftarkan mereka pada penemuan hologram dari foton tunggal mengantarkan pada era baru holografi: holografi kuantum, yang menjanjikan dan menawarkan perspektif baru tentang fenomena kuantum.
"Kami melakukan percobaan yang relatif sederhana untuk mengukur dan melihat sesuatu yang sangat sulit untuk diamati: bentuk muka gelombang dari foton tunggal," kata Dr Chrapkiewicz.
Dalam fotografi standar, poin individu dari suatu gambar daftar intensitas cahaya saja. Dalam holografi klasik, fenomena gangguan juga register fase gelombang cahaya (itu adalah fase yang membawa informasi tentang kedalaman gambar). Ketika hologram dibuat, dijelaskan, tidak terganggu gelombang cahaya (gelombang referensi) ditumpangkan dengan gelombang lain dari panjang gelombang yang sama tetapi tercermin dari objek tiga dimensi (puncak dan palung dari dua gelombang dialihkan ke derajat yang bervariasi di poin yang berbeda dari gambar). Hal ini menyebabkan gangguan dan perbedaan fase antara dua gelombang menciptakan pola garis rumit. hologram seperti itu kemudian diterangi dengan sinar cahaya referensi untuk menciptakan tata ruang dari muka gelombang dari cahaya yang dipantulkan dari objek, dan dengan demikian bentuk 3D-nya.
Orang mungkin berpikir bahwa mekanisme yang sama akan diamati ketika jumlah foton menciptakan dua gelombang dikurangi menjadi minimum, yaitu foton referensi tunggal dan foton tunggal tercermin objek. Namun Anda akan salah! Fase foton individu terus berfluktuasi, yang mungkin membuat gangguan klasik dengan foton lainnya. Karenanya, fisikawan Warsawa menghadapi tugas yang tampaknya mustahil, mereka berusaha untuk mengatasi masalah ini dengan cara berbeda: daripada menggunakan gangguan klasik gelombang elektromagnetik, mereka mencoba untuk mendaftar interferensi kuantum di mana fungsi gelombang foton berinteraksi.
fungsi gelombang adalah konsep dasar dalam mekanika kuantum dan inti dari persamaan yang paling penting: persamaan Schrödinger. Di tangan seorang ahli fisika yang terampil, fungsi dapat dibandingkan dengan dempul di tangan seorang pematung: ketika ahli berbentuk, dapat digunakan untuk 'cetakan' model dari sistem partikel kuantum. Fisikawan selalu berusaha untuk belajar tentang fungsi gelombang partikel dalam sistem tertentu, karena persegi modulus mewakili distribusi probabilitas untuk menemukan partikel dalam keadaan tertentu, yang sangat berguna.
"Semua ini mungkin terdengar agak rumit, tetapi dalam prakteknya percobaan kami sederhana pada intinya: bukannya melihat perubahan intensitas cahaya, kita melihat kemungkinan perubahan mendaftarkan pasangan foton setelah interferensi kuantum," jelas mahasiswa doktor Jachura.
Mengapa pasangan foton? Setahun yang lalu, Chrapkiewicz dan Jachura menggunakan kamera inovatif yang dibangun di Universitas Warsawa untuk melihat perilaku pasangan foton dibedakan dan non-dibedakan memasuki beam splitter. Ketika foton dibedakan, perilaku mereka di beam splitter adalah acak: salah satu atau kedua foton dapat ditransmisikan atau dipantulkan. foton non-dibedakan menunjukkan interferensi kuantum, yang mengubah perilaku mereka: mereka bergabung menjadi pasangan-pasangan dan selalu ditransmisikan atau dipantulkan bersama-sama. Hal ini dikenal sebagai gangguan dua-foton atau efek Hong-Ou-Mandel.
"Setelah percobaan ini, kami terinspirasi untuk bertanya apakah dua-foton interferensi kuantum dapat digunakan mirip dengan gangguan klasik di holografi untuk menggunakan foton dikenal-negara untuk mendapatkan informasi lebih lanjut tentang foton tidak diketahui-negara. Analisis kami mendorong kami untuk mengejutkan kesimpulan: ternyata ketika dua foton menunjukkan interferensi kuantum, yang tentu saja gangguan ini tergantung pada bentuk muka gelombang mereka, "kata Dr Chrapkiewicz.
 |
| Skema setup eksperimental untuk mengukur hologram foton tunggal |
Interferensi kuantum dapat diamati dengan mendaftarkan pasangan foton. Percobaan perlu diulang beberapa kali, selalu dengan dua foton dengan sifat identik. Untuk memenuhi kondisi tersebut, setiap percobaan dimulai dengan sepasang foton dengan muka gelombang datar dan polarisasi tegak lurus; ini berarti bahwa medan listrik dari setiap foton bergetar di satu pesawat saja, dan pesawat ini adalah tegak lurus untuk dua foton. Polarisasi yang berbeda memungkinkan untuk memisahkan foton dalam kristal dan membuat salah satu dari mereka 'tidak diketahui' oleh melengkung muka gelombang mereka menggunakan lensa silinder. Setelah foton tercermin oleh cermin, mereka diarahkan menuju splitter balok (kristal kalsit). splitter tidak mengubah arah foton vertikal terpolarisasi, tapi itu menyimpang diplace horizontal-terpolarisasi foton. Dalam rangka untuk membuat setiap arah kemungkinan sama dan memastikan kristal bertindak sebagai splitter balok, pesawat dari polarisasi foton yang dibengkokkan oleh 45 derajat sebelum foton masuk splitter. Foton yang terdaftar menggunakan state-of-the-art kamera yang dirancang untuk percobaan sebelumnya. Dengan mengulangi pengukuran beberapa kali, para peneliti memperoleh gambar gangguan sesuai dengan hologram dari foton tidak diketahui dilihat dari satu titik dalam ruang. Gambar itu digunakan untuk sepenuhnya merekonstruksi amplitudo dan fase dari fungsi gelombang foton tidak diketahui.
Percobaan yang dilakukan oleh fisikawan Warsawa adalah langkah besar untuk meningkatkan pemahaman kita tentang prinsip-prinsip dasar mekanika kuantum. Sampai saat ini, belum ada metode eksperimental sederhana untuk mendapatkan informasi tentang fase fungsi gelombang foton. Meskipun mekanika kuantum memiliki banyak aplikasi, dan telah diverifikasi berkali-kali dengan gelar besar akurasi selama abad terakhir, kami masih tidak dapat menjelaskan apa fungsi gelombang sebenarnya adalah: apakah mereka hanya alat matematika yang berguna, atau mereka sesuatu yang nyata ?
"Percobaan kami adalah salah satu yang pertama memungkinkan kita untuk melihat langsung salah satu parameter fundamental fungsi gelombang foton - fase - membawa kita selangkah lebih dekat untuk memahami apa fungsi gelombang sebenarnya," jelas Jachura.
Warsawa fisikawan digunakan holografi kuantum untuk merekonstruksi fungsi gelombang dari foton individu. Para peneliti berharap bahwa di masa depan mereka akan dapat menggunakan metode yang sama untuk menciptakan fungsi gelombang benda kuantum yang lebih kompleks, seperti atom tertentu. Akan holografi quantum menemukan aplikasi di luar laboratorium sampai batas yang sama seperti holografi klasik, yang secara rutin digunakan dalam keamanan (hologram sulit palsu), hiburan, transportasi (dalam scanner mengukur dimensi kargo), pencitraan mikroskopis dan data optik menyimpan dan teknologi pengolahan?
"Sulit untuk menjawab pertanyaan ini hari ini kita semua -. Maksudku fisikawan -. Pertama harus mendapatkan kepala kita di sekitar alat baru ini Kemungkinan bahwa aplikasi nyata dari holografi kuantum tidak akan muncul selama beberapa dekade, tapi jika ada satu hal kita dapat yakin itu bahwa mereka akan mengejutkan, "merangkum Prof. Banaszek.
Artikel ini telah diterbitkan dari bahan yang disediakan oleh University of Colorado Cancer Center. Catatan: Bahan mungkin telah diedit untuk panjang dan konten. Untuk informasi lebih lanjut, silahkan hubungi sumber yang dikutip.
Kutipan:
Radosław Chrapkiewicz, Michał Jachura, Konrad Banaszek & Wojciech Wasilewski. Hologram dari foton tunggal. Nature Photonics: 2016. DOI: 10.1038 / nphoton.2016.129
