Fotony jako bosony mají jisté pozoruhodné vlastnosti a mezi jednu z nich patří, že pokud vezmene vyvážený (padesáti- procentně odrazivý resp. propustný) dělič svazku a na oba vstupy tohoto děliče necháme fotony dopadnout, vystoupí oba fotony vždy jedním z ramen. Podmínkou je, aby oba fotony byly v principu nerozlišitelné. Přesněji řečeno, aby nebylo možné v principu vystopovat, kterou cestou se foton k děliči dostal. V opačném případě procházejí fotony děličem svazku nezávisle a pokud umístíme detektory na výstupy z děliče, zadetekujeme signály se stejnou četností na obou z nich.

Z toho už je jasné, jak intereferenci čtvrtého řádu pozorovat: prodlužujeme např. délku dráhy jednoho z fotonů před děličem a zárověň detekujeme koincidence na obou detektorech za děličem. V okamžiku, kdy počet koincidencí klesne na nulu, víme, že oba fotony se chovají jako nerozlišitelné bosony a vycházejí jen jedním ramenem. To, co jsme zde popsali, je již léta experimentem ověřený fakt, poprvé pozorvaný Hong, Ou a Mandelem v roce 1987. Výše naznačený pokus není v zásadě problém provést, neboť máme-li jeden zdroj fotonů (např. nelineární krystal pro sestupnou parametrickou konverzi čerpaný laserovým svazkem), vyvedeme po jednom fotonu do každého ramene jdoucímu k děliči a za ním vesele koincidence měříme. Co se ale podařilo dokázat vídeňské skupině, je interference ze dvou naprosto nezávislých zdrojů fotonů otevírající tak cestu pozoruhodným kvantově informačním protokolům. Skupina použila dva prostorově oddělené zdroje korelovaných fotonových párů, který nesdílely žádný optický prvek, a nechali dopadnout po každém fotonu z páru na vyvážený dělič svazku. To co pozoravali, byl právě Hong-Ou-Mandelův zářez dokazující intereferenci čtvrtého řádu

 











Koncidenční záznam měření na výstupu z děliče. Šedé tečky jsou experimentální data proložený teoretickým výpočtem (červená křivka). Záznam je funkcí časového intervalu mezi čerpáním obou krystalů.

Pro ilustraci o jak velký problém se jedná, zdůrazněme, že v aktuálním experiementu byly obě nelineární média produkující páry fotonů čerpány různými laserovými svazky a klíčem k nerozlišitelnosti obou párů byla přesná elektronická synchronizace obou čerpacích laserů (ano to opravdu znamené fotony z nezávislých zdrojů).

Nemístná otázka je, k čemu by to mohlo být dobré. Kvantová teorie informace přišla s protokolem nazvaným předávání entanglementu (entanglement swapping), který je takovým zobecněním kvantové teleportace. Představme si dva maximálně entanglované páry fotonů. Pokud provedeme měření na dvou fotonech od každého z páru (přesněji projekci do Bellovy báze), zbylé dva fotony se proentanglují a tedy dvě původně nezávislé částice začnou být kvantově provázány. Symbolicky to vidíme na:

Dva původně nezávislé maximálně entaglované páry (AB a CD) jsou Bellovým měřením na  BC a následnou postselekcí na základě výsledku transformovány na jeden ze čtyř maximálně entanglovaných párů (AD). Navzájem se tak kvantově zkorelují dvě nezávislé částice. Psi a Phi (plus, minus) je označení pro maximálně entanglované páry fotonů.

A svižný výpočet ukáže totéž :

Aniž bychom zacházeli do detailů, důležitým faktem je, že ke korektně provedému měření je třeba mít dopadající fotony principiálně nerozlišitelné.

Nyní konečně reálná aplikace, bez které mnozí nechápou, proč to všechno dělat. Kvantová teorie informace nabízí jisté alternativy k bezpečnému přenosu utajovaných dat a tou je kvantová kryptografie. Upřímně řečeno, jak také potvrdí odbornící na klasickou kryptografií, používané systémy pro kryptografické úkony bývají tak zprasené, že ani zdaleka nevyužívají možnosti, které pro informační bezpečnost nabízejí. Proč tedy přecházet na něco, co sice mnohem vyšší bezpečnost v některých ohledech nabízí, ale je lepší (levnější) průšvihy hasit než kupovat něco ultramoderního ale ne zrovna laciného. To jsme ovšem odbočili. Jedním z pozrouhodných kvantových algoritmů je kvantový opakovač (quantum repeater). Takové zařízení je nezbytné pro dálkovou komunikaci, neboť šum na kvantovém kanále (e.g. optické vlákno) roste exponenciálně se vzdáleností. Protože není možné jeden foton zesílit (rozuměj zkopírovat), je třeba přijít s jiným konceptem. Kvantový opakovač  pracuje na principu předávání entanglementu. Kvantový kanál je rozdělen na úseky se zdroji entanglovaných párů. Odesílatel nejprve vygeneruje fotonový pár a jeden foton pošle kanálem k příjemci. Aby se foton, volně řečeno, neunavil, předá „svůj entanglement“ čerstvému druhu na retranslačních stanicích pomocí entanglement swappingu. Tak to jde až k příjemci. Zde se dostáváme k aplikaci experimentu vídeňské skupiny. Retranslační stanice jsou nezávislé zdroje fotonů oddělené velkými vzdálenostmi a předávání entanglementu není až tak úplně experimentálně triviální.

Zdroj: DOI: 10.1103/PhysRevLett.96.240502