I gemelli identici potrebbero sembrare "indistinguibili, ' ma nel mondo quantistico la parola assume un nuovo livello di significato. Mentre i gemelli identici condividono molti tratti, l'universo tratta due particelle quantistiche indistinguibili come intrinsecamente intercambiabili. Questo apre la porta a particelle indistinguibili per interagire in modi unici, come nell'interferenza quantistica, necessari per i computer quantistici.

Mentre generare una folla di fotoni, particelle di luce, è facile come accendere un interruttore della luce, è più complicato creare una coppia di fotoni indistinguibili. E ci vuole ancora più lavoro per dotare quella coppia di un collegamento quantomeccanico noto come entanglement. In un articolo pubblicato il 10 maggio, 2021 sul giornale Fotonica della natura , I ricercatori JQI e i loro colleghi descrivono un nuovo modo per creare particelle di luce gemelle entangled e per sintonizzare le loro proprietà utilizzando un metodo convenientemente alloggiato su un chip, un potenziale vantaggio per le tecnologie quantistiche che richiedono una fonte affidabile di coppie di fotoni ben personalizzate.

I ricercatori, guidato dal collega JQI Mohammad Hafezi, progettato il metodo per sfruttare i vantaggi della fisica topologica. La fisica topologica esplora fenomeni fisici precedentemente non sfruttati utilizzando il campo matematico della topologia, che descrive tratti comuni condivisi da forme diverse. (Laddove la geometria riguarda angoli e dimensioni, la topologia riguarda più fori e forature, caratteristiche onnicomprensive che non dipendono dai dettagli locali.) I ricercatori hanno fatto diverse scoperte importanti applicando questo approccio, che descrive come le particelle quantistiche, come gli elettroni o, in questo caso, fotoni:possono muoversi in un particolare materiale o dispositivo analizzando le sue caratteristiche generali attraverso la lente delle caratteristiche topologiche che corrispondono a forme astratte (come la ciambella nell'immagine sopra). I fenomeni topologici che sono stati rilevati sono direttamente legati alla natura generale del materiale; devono esistere anche in presenza di impurità materiali che sconvolgerebbero il movimento regolare di fotoni o elettroni nella maggior parte delle altre circostanze.

Il loro nuovo metodo si basa sul lavoro precedente, compresa la generazione di una serie di coppie di fotoni distinguibili. Sia nel nuovo che nel vecchio esperimento, il team ha creato una scacchiera di anelli su un chip di silicio. Ogni anello è un risonatore che si comporta come una minuscola pista progettata per mantenere certi fotoni che viaggiano in tondo per lungo tempo. Ma poiché i singoli fotoni in un risonatore vivono secondo regole quantistiche, le auto da corsa (fotoni) a volte possono semplicemente passare immutate attraverso un muro intermedio e procedere a velocità lungo una pista vicina.

La griglia ripetuta di anelli imita la griglia ripetitiva di atomi che gli elettroni attraversano in un solido, consentendo ai ricercatori di progettare situazioni per la luce che rispecchiano effetti topologici ben noti nell'elettronica. Creando ed esplorando diversi ambienti topologici, il team ha sviluppato nuovi modi per manipolare i fotoni.

"È esattamente la stessa matematica che si applica agli elettroni e ai fotoni, "dice Sunil Mittal, un ricercatore post-dottorato JQI e il primo autore del documento. "Quindi ottieni più o meno tutte le stesse caratteristiche topologiche. Tutta la matematica che fai con gli elettroni, puoi semplicemente portare a sistemi fotonici."

Nel lavoro attuale, hanno ricreato un fenomeno elettronico chiamato effetto Hall quantistico anomalo che apre percorsi per gli elettroni sul bordo di un materiale. Questi sentieri di confine, che sono chiamati stati limite topologici, esistono a causa di effetti topologici, e possono trasportare in modo affidabile elettroni lasciando percorsi attraverso l'interno facilmente interrotti e impraticabili. Il raggiungimento di questo particolare effetto topologico richiede che i campi magnetici localizzati spingano sugli elettroni e che il campo magnetico totale quando viene mediato su sezioni più grandi del materiale si annulli fino a zero.

Ma i fotoni mancano della carica elettrica che rende gli elettroni suscettibili alle spinte magnetiche, quindi il team ha dovuto ricreare la spinta magnetica in qualche altro modo. Per realizzare questo, hanno disposto le tracce in modo che sia più facile per i fotoni saltare meccanicamente in modo quantistico tra gli anelli in determinate direzioni. Questo simula l'influenza magnetica mancante e crea un ambiente con una versione fotonica dell'effetto Hall quantistico anomalo e dei suoi percorsi ai bordi stabili.

Per questo esperimento, il team ha inviato due raggi laser di due diversi colori (frequenze) di luce in questo ambiente accuratamente progettato. All'interno di un risonatore, un fotone da ciascuno dei fasci si combina spontaneamente. I ricercatori hanno poi osservato come i fotoni si sono riformati in due fotoni indistinguibili, hanno viaggiato attraverso i percorsi del bordo topologici e alla fine sono stati espulsi dal chip.

Poiché i nuovi fotoni si sono formati all'interno di un anello risonatore, hanno assunto i tratti (polarizzazione e modalità spaziale) dei fotoni che i risonatori sono progettati per contenere. L'unico tratto rimasto di cui il team doveva preoccuparsi erano le loro frequenze.

I ricercatori hanno abbinato le frequenze dei fotoni selezionando le frequenze di ingresso appropriate per i due laser in base a come si sarebbero combinati all'interno dei risonatori di silicio. Con l'appropriata comprensione teorica dell'esperimento, possono produrre fotoni che sono meccanicamente quantistici indistinguibili.

La natura della formazione dei nuovi fotoni fornisce le caratteristiche quantistiche desiderate. I fotoni sono quantisticamente entangled a causa del modo in cui sono stati generati come coppie; le loro proprietà combinate, come l'energia totale della coppia, sono limitate da ciò che i fotoni originali hanno portato nella miscela, così l'osservazione della proprietà dell'uno rivela istantaneamente il fatto equivalente dell'altro. Fino a quando non vengono osservati, cioè rilevate dai ricercatori:non esistono come due particelle individuali con stati quantistici distinti per le loro frequenze. Piuttosto, sono miscele identiche di possibili stati di frequenza chiamati sovrapposizione. I due fotoni essendo indistinguibili significa che possono interferire meccanicamente l'uno con l'altro

La risultante combinazione di indistinguibilità ed entanglement è essenziale per molti potenziali usi dei fotoni nelle tecnologie quantistiche. Un ulteriore effetto collaterale fortunato dell'approccio topologico del ricercatore è che dà loro una maggiore capacità di regolare le frequenze dei fotoni gemelli in base alle frequenze che pompano nel chip e quanto bene le frequenze corrispondono agli stati topologici sul bordo del dispositivo.

"Questo non è l'unico modo per generare coppie di fotoni entangled—ci sono molti altri dispositivi—ma non sono sintonizzabili, " dice Mittal. "Quindi, una volta fabbricato il dispositivo, È quello che è. Se vuoi cambiare la larghezza di banda dei fotoni o fare qualcos'altro, non è possibile. Ma nel nostro caso, non dobbiamo progettare un nuovo dispositivo. Abbiamo mostrato che, semplicemente sintonizzando le frequenze della pompa, potremmo regolare le proprietà di interferenza. Così, è stato molto emozionante".

La combinazione dei dispositivi che sono sintonizzabili e robusti contro le imperfezioni di fabbricazione li rende un'opzione attraente per applicazioni pratiche, dicono gli autori. Il team prevede di continuare a esplorare il potenziale di questa tecnica e dei relativi dispositivi topologici e i possibili modi per migliorare ulteriormente i dispositivi, come l'utilizzo di altri materiali per realizzarli.