La teoria fisica suggerisce che le eccitazioni esotiche possono esistere sotto forma di stati legati confinati in prossimità di difetti topologici, ad esempio, nel caso dei modi zero di Majorana che sono intrappolati nei vortici all'interno di materiali superconduttori topologici. Una migliore comprensione di questi stati potrebbe aiutare lo sviluppo di nuovi strumenti di calcolo, comprese le tecnologie quantistiche.

Un fenomeno che ha attirato l'attenzione negli ultimi anni è "intreccio, " che si verifica quando gli elettroni in particolari stati (cioè, fermioni di Majorana) sono intrecciati tra loro. Alcuni fisici hanno teorizzato che questo fenomeno potrebbe consentire lo sviluppo di un nuovo tipo di tecnologia quantistica, vale a dire computer quantistici topologici.

Ricercatori della Pennsylvania State University, Università della California-Berkeley, Università statale dell'Iowa, Università di Pittsburgh, e la Boston University hanno recentemente testato l'ipotesi che l'intreccio avvenga anche in particelle diverse dagli elettroni, come i fotoni (cioè, particelle di luce). In un articolo pubblicato su Fisica della natura , presentano la prima dimostrazione sperimentale di intreccio utilizzando modalità zero topologici fotonici.

"L'idea è stata ispirata da un'architettura ben nota per la costruzione di un computer quantistico; uno che è stato previsto teoricamente ma mai realizzato sperimentalmente, "Mikael C. Rechtsman, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Per eseguire operazioni in questo tipo di computer quantistico precedentemente teorizzato, I fermioni di Majorana vengono spostati l'uno intorno all'altro:questo è chiamato intrecciamento. In un precedente studio teorico, alcuni dei miei colleghi hanno predetto che l'intreccio è un fenomeno generale che può essere applicato non solo agli elettroni, ma ai fotoni, anche. Nel nostro nuovo giornale, lo dimostriamo sperimentalmente, utilizzando una serie di guide d'onda simili ai cavi in ​​fibra ottica."

Rechtsman e i suoi colleghi hanno misurato la fase geometrica del fenomeno dell'intreccio conducendo un esperimento in cui due diversi processi di intrecciatura interferivano l'uno con l'altro. In uno di questi processi, i difetti topologici sono stati intrecciati in senso orario, mentre nell'altro, erano intrecciati in senso antiorario.

L'interferenza è una caratteristica della meccanica ondulatoria che viene spesso utilizzata per studiare i sistemi fisici. Questa caratteristica è responsabile di innumerevoli fenomeni legati alle onde, che vanno dai turbinii arcobaleno sulle bolle di sapone alle onde gravitazionali.

"Abbiamo osservato che la luce dei due processi di intrecciatura opposti interferiva in modo distruttivo, che ha confermato la nostra previsione teorica che i processi hanno una relativa fase di intrecciatura di pi, "Tommaso Schuster, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "In modo cruciale, grazie all'azione particolarmente semplice dell'intreccio, la misura che abbiamo raccolto ci permette di estrapolare il comportamento di qualsiasi processo di trecciatura. In particolare, verifica che quando si eseguono più trecce di fila, l'ordine delle trecce è importante."

Rechtsman, Schuster e i loro colleghi hanno dimostrato l'esistenza di un processo di intrecciatura generalizzabile che chiamano intrecciatura non abeliana, che è una semplice manifestazione di una caratteristica che i ricercatori hanno cercato nei sistemi elettronici per diversi anni. I loro risultati suggeriscono che l'intreccio può, infatti, essere un fenomeno comune che va oltre gli elettroni e si applica anche alla luce, suono, acqua e potenzialmente anche onde sismiche.

Oltre ad evidenziare la possibilità di utilizzare reticoli fotonici come piattaforma per lo studio dei difetti topologici e del loro intrecciamento, questo studio potrebbe ispirare altri gruppi di ricerca ad esaminare l'intreccio nel contesto di altri fenomeni che coinvolgono la produzione di onde. Rechtsman, Schuster e i loro colleghi ora intendono continuare a studiare l'intreccio dei modi zero topologici fotonici, insieme ad altri fenomeni topologici che potrebbero essere applicati anche ai sistemi legati alla luce.

"L'intreccio è un fenomeno topologico che è stato tradizionalmente associato ai dispositivi elettronici, " Ha detto Rechtsman. "Speriamo ora di dimostrare che un'intera classe di fenomeni topologici può potenzialmente essere utile non solo per i dispositivi elettronici, ma anche dispositivi fotonici, come laser, dispositivi di imaging medico, sistemi di telecomunicazioni, e altri. Ci aspettiamo anche che questo nuovo tipo di fisica topologica possa essere applicato ai sistemi di informazione quantistica, in particolare quelli basati sui fotoni."

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