Po raz pierwszy badacze wykazali niezwykłą zdolność do zakłócania par przestrzennie oddzielonych, ale wzajemnie połączonych, splątanych kwantowo cząstek bez zmiany ich wspólnych właściwości.
W skład zespołu wchodzą badacze z Laboratorium Światła Strukturalnego (Szkoła Fizyki) na Uniwersytecie Witwatersrand w Republice Południowej Afryki, kierowanego przez profesora Andrew Forbesa, we współpracy z teoretykiem strun Robertem de Mello Kochem z Uniwersytetu Huzhou w Chinach (wcześniej z Wits University). .
Osiągnęliśmy ten eksperymentalny kamień milowy, splątując dwa identyczne fotony i dostosowując ich wspólną funkcję falową w taki sposób, że ich topologia lub struktura staje się widoczna dopiero wtedy, gdy fotony są traktowane jako jedność.
– wyjaśnia główny autor, mgr Pedro Ornelas , Laboratorium Światła Strukturalnego
To połączenie między fotonami zostało ustanowione poprzez splątanie kwantowe, często określane jako „upiorne działanie na odległość”, umożliwiające cząstkom wzajemne wpływanie na wyniki pomiarów, nawet jeśli dzieli je znaczna odległość. Wyniki badania opublikowano w czasopiśmie Nature Photonics 8 stycznia 2024 roku.
Rolę topologii i jej zdolność do zachowania właściwości można w tej pracy porównać do sposobu, w jaki można przekształcić kubek do kawy w formę pączka — pomimo zmian w wyglądzie i kształcie podczas transformacji, pojedyncza dziura – cecha topologiczna – pozostaje stała i niezmieniona. W ten sposób oba obiekty są topologicznie równoważne. „Splątanie między naszymi fotonami jest plastyczne jak glina w rękach garncarza, ale podczas procesu formowania pewne cechy zostają zachowane” – wyjaśnia Forbes.
Charakter badanej tutaj topologii, zwanej topologią Skyrmiona, został początkowo zbadany przez Tony’ego Skyrme w latach 80. XX wieku jako konfiguracje pola wykazujące charakterystykę cząsteczkową. W tym kontekście topologia odnosi się do globalnej właściwości pól, podobnej do kawałka tkaniny (funkcji falowej), którego tekstura (topologia) pozostaje niezmieniona niezależnie od kierunku, w którym jest popychana.
Od tego czasu koncepcje te zostały zrealizowane w nowoczesnych materiałach magnetycznych, ciekłych kryształach, a nawet jako analogie optyczne przy użyciu klasycznych wiązek laserowych. W dziedzinie fizyki materii skondensowanej skyrmiony są wysoko cenione ze względu na swoją stabilność i odporność na zakłócenia, co prowadzi do przełomowych postępów w urządzeniach do przechowywania danych o dużej gęstości. „Chcemy zobaczyć podobny efekt transformacji w przypadku naszych splątanych kwantowo skyrmionów” – mówi Forbes.
Poprzednie badania wykazały, że skyrmiony są zlokalizowane w jednym miejscu. „Nasza praca ukazuje zmianę paradygmatu: topologia, o której tradycyjnie sądzono, że istnieje w pojedynczej i lokalnej konfiguracji, jest obecnie nielokalna lub współdzielona przez przestrzennie oddzielone jednostki” – mówi Ornelas.
Rozwijając tę koncepcję, badacze wykorzystują topologię jako strukturę do klasyfikacji lub rozróżniania stanów splątanych. Przewidują, że „ta świeża perspektywa może służyć jako system etykietowania stanów splątanych, podobny do alfabetu” – mówi współautor badania, dr Isaac Nape.
„Podobnie jak kule, pączki i kajdanki rozróżnia się na podstawie liczby zawartych w nich dziur, nasze kwantowe skyrmiony można w ten sam sposób różnicować na podstawie ich aspektów topologicznych” – mówi Nape. Zespół ma nadzieję, że może to stać się potężnym narzędziem, które toruje drogę nowym protokołom komunikacji kwantowej wykorzystującym topologię jako alfabet do przetwarzania informacji kwantowej w kanałach opartych na splątaniu.
Odkrycia przedstawione w artykule są kluczowe, ponieważ badacze od dziesięcioleci zmagają się z rozwojem technik pozwalających zachować stany splątane. Fakt, że topologia pozostaje nienaruszona nawet po zaniku splątania, sugeruje potencjalnie nowy mechanizm kodowania wykorzystujący splątanie, nawet w scenariuszach z minimalnym splątaniem, w których tradycyjne protokoły kodowania zawiodłyby.
„Skoncentrujemy nasze wysiłki badawcze na zdefiniowaniu tych nowych protokołów i rozszerzeniu krajobrazu topologicznych nielokalnych stanów kwantowych” – mówi Forbes.
Więcej informacji: Pedro Ornelas i in., Non-local skyrmions as topologically resilient quantum entangled states of light, Nature Photonics (2024). DOI: 10.1038/s41566-023-01360-4
➔ Obserwuj nas w Google News, aby być na bieżąco!
źródło: Nature Photonic | Phys.org
Od 2005 roku zajmuję się komunikacją internetową i e-marketingiem, jestem pasjonatem urządzeń mobilnych oraz nowych technologii – i nie waham się ich używać.