Gli scienziati dell'Institute for Quantum Computing (IQC) dell'Università di Waterloo hanno catturato le prime immagini di fotoni ultraveloci che sono entangled energia-tempo. La nuova tecnica avrà applicazioni dirette per la crittografia quantistica e i protocolli di comunicazione, compresa la possibilità di stabilire canali di comunicazione altamente sicuri su lunghe distanze.

"Questa tecnica ci permetterà di esplorare tutti i tipi di effetti quantistici che erano inaccessibili perché i rilevatori erano semplicemente troppo lenti, "ha detto Jean-Philippe MacLean, autore principale dello studio e dottorando di ricerca presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia della Facoltà di Scienze.

Per catturare uno degli eventi quantistici più brevi possibili, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica nota come gating ottico. Simile al modo in cui Harold Edgerton ha utilizzato luci stroboscopiche ad alta velocità per catturare alcune delle immagini più iconiche del XX secolo, il dispositivo utilizza brevi impulsi di luce per visualizzare i fotoni nel tempo. Questa tecnica ha permesso ai ricercatori di superare i limiti degli attuali rilevatori e misurare coppie di fotoni entangled con una risoluzione inferiore a un trilionesimo di secondo.

"Negli ultimi 10-20 anni, i ricercatori sono stati interessati ad esplorare e sfruttare l'entanglement energia-tempo per la comunicazione, " ha detto MacLean. "Essendo in grado di misurare fotoni entangled ultraveloci, la nostra tecnica di misurazione apre le porte allo sfruttamento dell'entanglement in un regime completamente nuovo."

L'entanglement energia-tempo è una caratteristica della luce quantistica. Si verifica quando una coppia di fotoni è fortemente correlata sia nella frequenza che nell'ora di arrivo. Gli scienziati si sono interessati allo sfruttamento dell'entanglement energia-tempo per le informazioni quantistiche, ma fino ad ora, mancava loro la determinazione sia nell'energia che nel tempo per osservarla direttamente.

Il nuovo apparato porta nel mondo quantistico uno strumento su cui si fa spesso affidamento nella ricerca sull'ottica classica. In ottica classica, la capacità di misurare accuratamente sia l'energia che le caratteristiche temporali della luce su scale temporali ultraveloci è stata fondamentale per le innovazioni nella fisica e nella spettroscopia laser.

"Ultraveloce e quantistico rappresentano due frontiere della scienza ottica, " ha detto Kevin Resch, direttore esecutivo ad interim dell'IQC e professore presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia della Facoltà di Scienze. "Portare le tecniche da una di queste aree all'altra apre possibilità entusiasmanti".

Il documento è pubblicato in Lettere di revisione fisica .