Un gruppo di ricerca dell'Università ITMO, con l'aiuto dei colleghi del MIPT (Russia) e del Politecnico di Torino (Italia), ha previsto un nuovo tipo di stato quantistico topologico di due fotoni. Gli scienziati hanno anche applicato un nuovo, metodo sperimentale conveniente per testare questa previsione. Il metodo si basa su un'analogia:invece di costosi esperimenti con sistemi quantistici di due o più fotoni entangled, i ricercatori hanno utilizzato circuiti elettrici risonanti di maggiore dimensionalità descritti da equazioni simili. I risultati ottenuti possono essere utili per l'ingegnerizzazione di chip ottici e computer quantistici senza la necessità di costosi esperimenti. La ricerca è stata pubblicata su Comunicazioni sulla natura .

La luce gioca un ruolo chiave nelle moderne tecnologie dell'informazione:con il suo aiuto, le informazioni vengono trasmesse su grandi distanze tramite fibre ottiche. Nel futuro, gli scienziati anticipano l'invenzione di chip ottici e computer che elaborano le informazioni con l'aiuto di fotoni - quanti di luce - invece di elettroni, come si fa oggi. Ciò ridurrà il consumo di energia, aumentando anche le capacità dei computer. Però, per trasformare queste previsioni in realtà, è necessaria una ricerca fondamentale e applicata sul comportamento della luce su micro e nanoscala.

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno teoricamente previsto la formazione di un nuovo stato quantistico di fotoni:due fotoni che si propagano nell'array di microrisonatori quantistici (qubit) possono formare una coppia legata e stabilirsi sul bordo dell'array. Un vero esperimento richiede speciali nanostrutture, così come dispositivi speciali per creare tale stato quantistico di fotoni e rilevarlo. Attualmente, tali capacità sono disponibili solo per pochissimi gruppi di ricerca in tutto il mondo.

Se condurre un esperimento preciso è troppo costoso, può essere utile trovare un modello, o un'analogia, che permetterebbe di testare le ipotesi teoriche senza spendere troppe risorse. Questo è esattamente ciò che i fisici dell'Università ITMO sono riusciti a fare. Hanno tracciato un'analogia tra una classe specifica di sistemi quantistici e circuiti elettrici classici di dimensionalità superiore.

"Colleghiamo vari punti della scheda a una fonte di alimentazione esterna e studiamo la risposta del sistema utilizzando un multimetro e un oscilloscopio, " spiega Nikita Olekhno, dottorato di ricerca studente presso ITMO University. "Il risultato è descritto da equazioni classiche che nel nostro caso coincidono con le equazioni quantistiche che descrivono gli stati a due fotoni nell'array di qubit. Le stesse equazioni devono avere le stesse soluzioni, e non importa se si tratta di una funzione d'onda di una particella quantistica o di un potenziale elettrico".

Certo, l'analogia che gli scienziati dell'Università ITMO hanno escogitato non può sostituire completamente gli esperimenti con i sistemi quantistici. Però, la struttura classica sviluppata dal team consente ai ricercatori di condurre molti esperimenti, fornendo preziose informazioni per il campo della fotonica quantistica. Il fatto che gli scienziati di San Pietroburgo siano riusciti a trovare per la prima volta una tale analogia per i sistemi quantistici di molte particelle è molto promettente.

"La teoria è sempre al di sopra delle capacità sperimentali. Per essere all'avanguardia della teoria, studiamo effetti sottili che saremo in grado di rilevare sperimentalmente solo tra diversi anni, "dice Maxim Gorlach, capo del progetto e ricercatore senior presso l'Università ITMO. "Attualmente stiamo conducendo una serie di esperimenti in questo campo ricercando stati limite topologici di sistemi quantistici più esotici e sviluppando modi per la loro emulazione. Tali esperimenti sono importanti sia per la fisica fondamentale che per le future applicazioni pratiche".