İsviçre ve Almanya’dan bilim insanları, fotonları tek tek veya birkaçını aynı anda üretip manipüle edebilen bir kuantum fotonik kapı oluşturdular. Bu cihaz, kuantum teknolojilerinin geliştirilmesinde, özellikle de optik kuantum bilgisayarların oluşturulmasında önemli bir adımdır.

Böyle bir valf oluşturmak için bilim adamlarının, fotonlar arasındaki etkileşimi kontrol etmelerine olanak sağlayacak özel bir ortam geliştirmeleri gerekiyordu. Bunu başarmanın bir yolu, belirli durumlara dayalı olarak fotonlar yayan “tek boyutlu atom” adı verilen atomu kullanmaktır.

Basel Üniversitesi’nden Richard Warburton liderliğindeki bir araştırmacı ekibi, kuantum noktası kullanarak böyle bir fotonik kapı yarattı. Kuantum noktası, optik ve elektronik özellikleri kuantum mekaniği kurallarına göre yönetilen nanometre boyutunda bir nesnedir.

Cihaz, optik bir boşluğun iki yansıtıcı duvarı arasına gömülü bir kuantum noktasından oluşuyor. Tek bir foton veya birden fazla foton olan fotonik durumlardan oluşan zayıf lazer ışığı, boşluğa yukarıdan girer ve kuantum noktasıyla çarpışır. Noktanın enerji seviyelerinde fotonun enerjisiyle eşleşen bir fark varsa kuantum noktası onu emer.

Yukarıdan gelen fotonik durum iki veya daha fazla fotondan oluşuyorsa, bu durumun kuantum noktasıyla etkileşimi değişir ve giden durumun polarizasyonu (elektrik alanının yönü) değişir. Noktanın tepesine yerleştirilen bir polarizasyon filtresi (“ışın bölücü”) ile yansıtılan tek yayılan fotonlar bir yönde (port 1) hareket eder ve yansıyan çoklu foton durumları diğer yönde (port 2) yansıtılır.

Böylece gelen ışın tek fotonlu ve çoklu fotonlu hallere bölünür. Birkaç farklı fotonik durumdan oluşan bir kaynak, kuantum teknolojilerinde, optik bilgisayar devrelerinde veya diğer uygulamalarda kullanılabilen tek fotonlu bir ışınla sonuçlanır. Cihaz, tek fotonlar için ayna görevi görüyor.

Ekip, deneylerinde, gelen ışının %99,2’sinin çoklu foton durumlarına bölündüğünü ve geride saf tek fotonlar kaldığını, bunun da kuantum noktası ile optik boşluk arasındaki etkileşimin yüksek verimliliğini gösterdiğini buldu. Doğrusal olmamanın bir ölçüsü olan foton kalabalıklaşmasının bir ölçüsü olan ikinci dereceden korelasyon fonksiyonunun ölçümü, 587 değerini verdi.

Bu değer bir rekordur ve diğer deneysel kurulumlardan elde edilen önceki en iyi değeri 29 kat aşmaktadır. Boşluk konfigürasyonu, iletilen ışığın, kurulumda harici değişiklikler olmadan kuantum noktasının optik boşluğa göre hareket ettirilmesiyle ayarlanmasına ve manipüle edilmesine olanak tanır.

Bu, nokta ile boşluk arasındaki bağlantıyı değiştirir. İletilen fotonların güçlü demetlenmesi aslında anti-toplanma olarak değiştirilebilir. “Bir kuantum noktası, foton sayısına bağlı olarak tamamen farklı davranır. Araştırmacılar, yalnızca çoklu foton durumlarının iletildiğinden dolayı bu durum kümelenmeye yol açıyor” diye yazıyor. Gözlemlenen foton sayılarını ayırt etmek, bireysel fotonlar düzeyinde etkileşime izin verir.

Bu sonuçlar, iki veya daha fazla fotonun birbirine yakın tutulduğu birleşik fotonik durumların faydalı bir şekilde yaratılmasına yol açabilir. Fotonlar genellikle birbirleriyle etkileşime girmez, bu da fiber optik iletişim için yararlı bir özelliktir. Bununla birlikte, klasik ve kuantum bilgi işleme gibi bazı uygulamalar için, fotonlar arasındaki etkileşimler arzu edilir, ancak bu çalışmada geliştirilen gibi oldukça doğrusal olmayan bir ortam gerektirir.

Bu tür doğrusal olmayan fotonik süreçler, foton frekansı dönüşümü, ışık amplifikasyonu ve ışık algılama gibi uygulamalarda halihazırda kullanılmaktadır. Bu cihaz tarafından üretilen diğer egzotik fotonik durumlar, kontrollü bir ortamda birçok vücut olgusunun anlaşılmasında faydalı olabilir.

Araştırmacılar, 4,1 metrelik Güney Astrofizik Araştırma Teleskobu üzerindeki bir cihazı kullanarak, yük bağlantılı cihazları (CCD’ler) kullanarak ilk astronomik spektrumu elde ettiler. Işığa duyarlı silikon bazlı fotodiyotlardan oluşurlar ve her pikselden gelen yükü kaydetmek ve okumak için kullanılırlar. Bu tür matrisler astronomik gözlemlerde galaksi kümelerinin, kuasarların, parlak emisyon çizgisi galaksilerinin ve yıldızların astronomik spektrumlarını toplamak için kullanılır. Alt elektronik okuma gürültüsünün elde edilmesine ve bireysel fotonların optik dalga boylarında sayılmasına olanak tanır. Bunlar astronomik araştırma ve gözlemlerde önemli rol oynayan yüksek hassasiyetli aletlerdir.

Sonuçlar 16 Haziran’da Japonya’daki Astronomik Teleskoplar + Foto-Optik Enstrümantasyon Mühendisleri Enstrümantasyon Topluluğu toplantısında sunuldu.

Bu, Fermilab laboratuvar araştırma ve geliştirme programı tarafından NSF’nin NOIRLab dedektör grubu ile işbirliği içinde tasarlanan ve başlatılan bir proje için önemli bir başarıdır. LDRD, Enerji Bakanlığı tarafından desteklenen ve ulusal laboratuvarların yeni fikir ve kavramları araştıran araştırma ve geliştirme projelerine finansman sağlamasına olanak tanıyan ulusal bir programdır.

Kozmologlar, yıldızların ve galaksilerin dağılımını inceleyerek karanlık maddenin ve karanlık enerjinin gizemli doğasını anlamaya çalışıyorlar. Bunu yapabilmek için, daha sönük ve daha uzaktaki astronomik nesneleri mümkün olduğunca az gürültüyle “görebilen” ileri teknolojilere ihtiyaçları var.

Mevcut CCD teknolojisi bu tür ölçümlere izin veriyordu ancak bu zaman alıcıydı veya daha az verimliydi. Astrofizikçiler ya sinyali arttırmak (yani dünyanın en büyük teleskoplarında gözlem yapmaya daha fazla zaman harcayarak) ya da elektronik gürültüyü azaltmak zorunda kaldılar. Skipper CCD’ler, elektronik gürültüyü bireysel fotonları ölçebilecek seviyelere düşürmek için 1990 yılında piyasaya sürüldü. Bunu, hedef piksellerin birkaç ölçümünü alıp gerisini atlayarak yaparlar. Bu strateji, genel okuma süresini kısaltırken, görüntüdeki ilgilenilen bölgelerdeki ölçümlerin doğruluğunu artırdı.

2017 yılında bilim insanları ilk olarak SENSEI ve OSCURA gibi karanlık madde tespit deneyleri için CCD’leri kullandı. 31 Mart ve 9 Nisan tarihlerinde araştırmacılar, bir galaksi kümesinin, iki kuasarın, parlak emisyon çizgilerine sahip bir galaksinin ve potansiyel olarak karanlık maddeyle ilişkili bir yıldızın astronomik spektrumlarını toplamak için SOAR İntegral Alan Spektrografındaki CCD’leri kullandılar. Astrofizikte ilk kez elektronik dışı okuma gürültüsü elde etmek ve optik dalga boylarındaki fotonları tek tek saymak mümkün oldu.

Gözlemlere katılan Marrufo Villalpando, “İnanılmaz olan şu ki, bu fotonlar dedektörlerimize milyarlarca ışıkyılı uzaklıktaki nesnelerden geldi ve her birini ayrı ayrı ölçebildik” dedi.

Araştırmacılar bu ilk gözlemlerden elde edilen verileri analiz ediyor ve Skiper-CCD cihazının SOAR teleskopu üzerindeki bir sonraki lansmanının Temmuz 2024’te yapılması planlanıyor. “Bu teknolojinin onlarca yıl sonra yeniden hayata döndüğünü görmek beni şaşırttı. Sonuçlar tek kelimeyle muhteşem. Çok temiz veriler gördüm,” dedi CCD’nin mucidi ve Kaliforniya merkezli bir araştırma enstitüsü olan SRI International’ın seçkin mühendisi Jim Jancik.

Skipper CCD teknolojisinin astrofizikteki ilk başarılı gösteriminin ardından bilim insanları onu geliştirmek için çalışmaya başladı bile. Fermilab ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’nda geliştirilen yeni nesil Skipper CCD’ler mevcut cihazlardan 16 kat daha hızlıdır. Bu yeni cihazlar okuma sürelerini önemli ölçüde azaltacak ve araştırmacılar bunları zaten laboratuvarda test etmeye başladı.

Yeni nesil CCD’ler, DESI-II ve Spec-S5 spektroskopik deneyleri gibi gelecekteki DOE kozmoloji projelerinde kullanılmak üzere seçildi. Buna ek olarak NASA, gelecekteki Yaşanabilir Dünyalar Gözlemevi için Güneş benzeri yıldızların etrafındaki dış gezegenlerin tespit edilmesine yardımcı olacak CCD’leri kullanmayı düşünüyor.

“Bu dedektörlerin nereye varacağını görmek için sabırsızlanıyorum. Dünyanın her yerindeki insanlar bunları harika şeyler yapmak için kullanıyor. Kullanışlılıkları parçacık fiziğinden kozmolojiye kadar uzanır. Çok yönlü ve kullanışlı bir teknoloji” dedi programa 2019 yılında katılan Marrufo Villalpando.

Araştırmacılar, 4,1 metrelik Güney Astrofizik Araştırma Teleskobu’ndaki bir cihazı kullanarak, kaptan yüküne bağlı cihazları (CCD’ler) kullanarak ilk astronomik spektrumu elde ettiler.

Sonuçlar 16 Haziran’da açıklandı. Foto-Optik Enstrümantasyon Mühendisleri Topluluğu Astronomik Teleskoplar + Enstrümantasyon Japonya’da fizik doktorası sahibi Edgar Marrufo Villalpando ile toplantı. Chicago Üniversitesi adayı ve Fermilab DOE Lisansüstü Enstrümantasyon Araştırma Ödülü Üyesi.

Projeyi yöneten ABD Enerji Bakanlığı’nın Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndan kozmolog Alex Drlica-Wagner, “Bu, kaptan-CCD teknolojisi için önemli bir kilometre taşıdır” dedi. “Gelecekteki DOE kozmoloji projeleri için hayati önem taşıyan bu teknolojinin gelecekte kullanılmasıyla ilgili algılanan risklerin ortadan kaldırılmasına yardımcı oluyor.”

Bu, NSF’nin NOIRLab dedektör grubu ile işbirliği içinde Fermilab’daki Laboratuvara Yönelik Araştırma ve Geliştirme programı aracılığıyla tasarlanan ve başlatılan bir proje için önemli bir başarıdır. LDRD, DOE’nin sponsorluğunda ulusal laboratuvarların yeni fikir veya kavramları araştıran araştırma ve geliştirme projelerine dahili olarak finansman sağlamasına olanak tanıyan ulusal bir programdır.

CCD’ler 1969’da Amerika Birleşik Devletleri’nde icat edildi ve kırk yıl sonra bilim adamlarına başarılarından dolayı Nobel Fizik Ödülü verildi. Cihazlar, gelen fotonları elektronlara dönüştüren, ışığa duyarlı piksellerin iki boyutlu dizileridir. Geleneksel CCD’ler ilk olarak dijital kameralarda kullanılan görüntü sensörleridir ve hassasiyetleri elektronik gürültü nedeniyle sınırlı olmasına rağmen astronomi gibi birçok bilimsel görüntüleme uygulaması için standart olmaya devam etmektedir.

Kozmologlar, yıldızların ve galaksilerin dağılımlarını inceleyerek karanlık maddenin ve karanlık enerjinin gizemli doğasını anlamaya çalışıyorlar. Bunu yapabilmek için, daha sönük, daha uzaktaki astronomik nesneleri mümkün olduğunca az gürültüyle görebilen ileri teknolojiye ihtiyaçları var.

Mevcut CCD teknolojisi bu ölçümleri yapabilmektedir ancak uzun zaman almakta veya daha az verimli olmaktadır. Dolayısıyla astrofizikçilerin ya sinyali artırması (yani dünyanın en büyük teleskoplarına daha fazla zaman ayırarak) ya da elektronik gürültüyü azaltması gerekiyor.

Skipper CCD’ler, elektronik gürültüyü bireysel fotonların ölçümüne izin verecek seviyelere düşürmek için 1990 yılında piyasaya sürüldü. Bunu, ilginç piksellerin birden fazla ölçümünü alıp gerisini atlayarak yapıyorlar. Bu strateji, kaptan CCD’lerin toplam okuma süresini azaltırken görüntünün ilgi çekici bölgelerindeki ölçümlerin hassasiyetini artırmasına olanak tanır.

2017 yılında bilim insanları, SENSEI ve OSCURA gibi karanlık madde deneyleri için kaptan CCD’lerin kullanımına öncülük etti, ancak yeni sunum, teknolojinin gece gökyüzünü gözlemlemek ve astronomik veriler toplamak için ilk kez kullanıldığını gösterdi.

31 Mart ve 9 Nisan tarihlerinde araştırmacılar, bir galaksi kümesinden, iki uzak kuasardan, parlak emisyon çizgilerine sahip bir galaksiden ve potansiyel olarak karanlık maddeyle ilişkili bir yıldızdan astronomik spektrumlar toplamak için SOAR İntegral Alan Spektrografındaki kaptan CCD’leri kullandılar. baskın ultra-soluk galaksi. Astrofiziksel CCD gözlemlerinde bir ilk olarak, alt-elektron okuma gürültüsü elde ettiler ve optik dalga boylarındaki bireysel fotonları saydılar.

Marrufo Villalpando, “İnanılmaz olan şey, bu fotonların milyarlarca ışıkyılı uzaklıktaki nesnelerden dedektörlerimize ulaşması ve her birini ayrı ayrı ölçebilmemizdir” dedi.

Araştırmacılar bu ilk gözlemlerden elde edilen verileri analiz ediyor ve SOAR Teleskobu üzerindeki kaptan-CCD cihazının bir sonraki planlanan çalışması Temmuz 2024’te gerçekleşecek.

Kaptan CCD’nin mucidi ve merkezli bir araştırma enstitüsü olan SRI International’da seçkin bir mühendis olan Jim Janesick, “Kaptan doğduğundan bu yana onlarca yıl geçti, bu yüzden teknolojinin onlarca yıl sonra yeniden hayata döndüğünü görmek beni şaşırttı” dedi. Kaliforniya. “Gürültü sonuçları muhteşem. Çok temiz verileri görünce koltuğumdan düştüm.”

Astrofizik için Skipper-CCD teknolojisinin ilk başarılı gösterimiyle birlikte bilim insanları bunu geliştirmek için şimdiden çalışıyor. Fermilab ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı tarafından geliştirilen yeni nesil kaptan CCD’ler mevcut cihazlardan 16 kat daha hızlıdır. Bu yeni cihazlar okuma süresini büyük ölçüde azaltacak ve araştırmacılar bunları zaten laboratuvarda test etmeye başladı.

Yeni nesil kaptan CCD’lerin, son ABD parçacık fiziği planlama süreci tarafından önerilen DESI-II ve Spec-S5 spektroskopik deneyleri gibi gelecekteki DOE kozmoloji çabalarında kullanılmak üzere tanımlandı. Buna ek olarak NASA, yakında kurulacak Yaşanabilir Dünyalar Gözlemevi için güneş benzeri yıldızların etrafındaki dünya benzeri gezegenleri tespit etmeye çalışacak CCD’lerin kaptanlığını da düşünüyor.

Programa 2019 yılında katılan Marrufo Villalpando, “Bu dedektörlerin nereye varacağını görmek için sabırsızlanıyorum” dedi. “İnsanlar onları her yerde harika şeyler için kullanıyor; yararları parçacık fiziğinden kozmolojiye kadar uzanıyor. Bu çok önemli bir şey.” çok yönlü ve kullanışlı bir teknoloji.”

Proje, Fermilab, UChicago, Ulusal Bilim Vakfı’nın NOIRLab’ı, DOE’nin Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı ve Brezilya Ulusal Astrofizik Laboratuvarı’ndaki fizikçiler, gökbilimciler ve mühendisler arasındaki yakın işbirliğinin ürünüydü.

CERN’in Kompakt Müon Solenoidi (CMS) deneyi üzerinde çalışan bilim insanları, yayınlanan Karanlık foton olarak bilinen uzun ömürlü egzotik bir parçacık arayışındaki en son veriler.

Karanlık fotonlar (aynı zamanda gizli fotonlar olarak da adlandırılır), kütleye sahip oldukları düşünülmesi bakımından normal fotonlardan (ışık parçacıklarından) farklıdır ve bu da onları karanlık maddeyi açıklamak için başlıca aday haline getirir. Karanlık madde, uzayda yalnızca gözlemlenen görünmez şeyleri tanımlayan kapsamlı bir terimdir. yerçekimi etkileriancak hiçbir zaman doğrudan tespit edilmedi ve kimse gerçekte ne olduğundan emin değil.

CMS’deki fizikçiler bunu değiştirmeye çalışıyor. CERN’deki diğer deneylerde üretilen parçacıklar gibi, varsayımsal karanlık fotonlar da başka bir parçacığın, 1960’larda önerilen ve Higgs bozonunun bozunması sonucu üretilecekti. ünlü olarak gözlemlendi Higgs bozonlarının karanlık fotonlara, onların da daha sonra yer değiştirmiş müonlara bozunacağı düşünülüyor. CMS İşbirliği, bu sürecin gerçekleşeceği parametreleri kısıtlamak için çalışıyor.

CERN’in Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, önceki çalışmalarına göre daha büyük parçacık çarpışma kapasitesiyle üçüncü çalışmasına Temmuz 2022’de başladı. Bu, ilginç çarpışmaları tespit eden CMS deneyinin algoritmasının (veya “tetikleyicinin”), incelenecek daha fazla olaya sahip olduğu ve dolayısıyla karanlık fotonlardan kaynaklanan yer değiştirmiş müonları tespit etmek için daha fazla fırsata sahip olduğu anlamına gelir.

CMS deneyinden Juliette Alimena, “Yer değiştiren müonları tetikleme yeteneğimizi gerçekten geliştirdik” dedi. ifade. “Bu, çarpışma noktasından birkaç yüz mikrometreden birkaç metreye kadar değişen mesafelerde yer değiştiren müonlarla eskisinden çok daha fazla olay toplamamıza olanak tanıyor. Bu iyileştirmeler sayesinde, eğer karanlık fotonlar varsa, CMS’nin bunları bulma olasılığı artık çok daha yüksek.”

Karanlık fotonların parçacık standartlarına göre uzun ömürlü olduğu kabul edilir: saniyenin milyarda birinin onda biri kadar bir süre boyunca var olurlar. Uzun ömürlü olmalarına rağmen fark edilmeleri zordur; bu yüzden henüz kimse bunu yapmamıştır. Aslında karanlık foton arayışı yıllardır sürüyor. Fizikçi James Beacham, “Karanlık foton aramaları aynı anda basit ve zorludur” 2018’de Gizmodo’ya söyledi. “Konsept deneysel aramaları tasarlamayı kolaylaştıracak kadar genel ve basit olduğu için basit, ancak gerçekten hiçbir fikrimiz olmadığı için zorlayıcıdır. Neresi parametre uzayında karanlık foton yaşayabilir.”

Bazı bilim insanları Küçük aynalar kullanarak karanlık maddeyi aramakdiğerleri bunu yapmaya çalışırken frekansını bir “karanlık madde radyosu” ile ayarlayın. CMS’de fizikçiler, müon çiftlerine bozunan parçacıkları tespit etmeye çalışıyor.

CMS’ye destek olarak Büyük Hadron Çarpıştırıcısı yakında yükseltilecek. Yaklaşan Yüksek Parlaklık-LHC tesisin parlaklığını 10 kat artıracak ve fizikçilerin üzerinde çalışması gereken Higgs bozonlarının sayısını büyüklük sırasına göre artıracak. HL-LHC’nin 2029 yılına kadar çalışmaya hazır olması bekleniyor. Bu arada LHC’nin Run 3’ü 2026 yılına kadar devam edecek.

Çarpıştırıcıdan gelen veriler yeni atom altı parçacıklar üretmeye devam ediyor sorgulamak için, ancak evrenin karanlık maddesinden sorumlu olduğu varsayılan bazıları yakalanması zor. En azından şimdilik.

Daha fazla: Higgs Bozonundan 10 Yıl Sonra Fizikte Bir Sonraki Büyük Şey Ne Olacak?