Per la prima volta, i ricercatori hanno dimostrato la straordinaria capacità di perturbare coppie di particelle entangled quantistiche spazialmente separate ma interconnesse senza alterare le loro proprietà condivise.
Il team comprende ricercatori dello Structured Light Laboratory (School of Physics) dell'Università del Witwatersrand in Sud Africa, guidato dal professor Andrew Forbes, in collaborazione con il teorico delle stringhe Robert de Mello Koch dell'Università di Huzhou in Cina (in precedenza della Wits University) .
"Abbiamo raggiunto questo traguardo sperimentale intrecciando due fotoni identici e personalizzando la loro funzione d'onda condivisa in modo tale che la loro topologia o struttura diventi evidente solo quando i fotoni vengono trattati come un'entità unificata", spiega l'autore principale, Pedro Ornelas, un Master studente nel laboratorio di luce strutturata.
Questa connessione tra i fotoni è stata stabilita attraverso l'entanglement quantistico, spesso definito "azione spettrale a distanza", consentendo alle particelle di influenzare reciprocamente i risultati delle misurazioni anche quando separate da distanze significative. La ricerca è stata pubblicata su Nature Photonics l'8 gennaio 2024.
Il ruolo della topologia e la sua capacità di preservare le proprietà, in questo lavoro, possono essere paragonati a come una tazza di caffè può essere rimodellata nella forma di una ciambella; nonostante i cambiamenti di aspetto e forma durante la trasformazione, un singolare foro – caratteristica topologica – rimane costante e inalterato. In questo modo i due oggetti sono topologicamente equivalenti. "L'entanglement tra i nostri fotoni è malleabile, come l'argilla nelle mani di un vasaio, ma durante il processo di modellatura alcune caratteristiche vengono conservate", spiega Forbes.
La natura della topologia qui indagata, denominata topologia Skyrmion, è stata inizialmente esplorata da Tony Skyrme negli anni '80 come configurazioni di campo che mostrano caratteristiche simili a particelle. In questo contesto, la topologia si riferisce a una proprietà globale dei campi, simile a un pezzo di tessuto (la funzione d'onda) la cui trama (la topologia) rimane invariata indipendentemente dalla direzione in cui viene spinta.
Da allora questi concetti sono stati realizzati in moderni materiali magnetici, cristalli liquidi e persino come analoghi ottici utilizzando raggi laser classici. Nel regno della fisica della materia condensata, gli skyrmion sono molto apprezzati per la loro stabilità e resistenza al rumore, portando a progressi rivoluzionari nei dispositivi di archiviazione dati ad alta densità. "Aspiriamo a vedere un simile impatto trasformativo con i nostri skyrmion quantistici", afferma Forbes.
Ricerche precedenti descrivevano questi Skyrmion come localizzati in un unico luogo. "Il nostro lavoro presenta un cambiamento di paradigma:la topologia che tradizionalmente si pensava esistesse in un'unica configurazione locale è ora non locale o condivisa tra entità spazialmente separate", afferma Ornelas.
Ampliando questo concetto, i ricercatori utilizzano la topologia come quadro per classificare o distinguere gli stati entangled. Prevedono che "questa nuova prospettiva possa servire come sistema di etichettatura per gli stati entangled, simile a un alfabeto", afferma il dottor Isaac Nape, un co-investigatore.
"Similmente a come sfere, ciambelle e manette si distinguono per il numero di fori che contengono, i nostri skyrmion quantistici possono essere differenziati allo stesso modo per i loro aspetti topologici", afferma Nape. Il team spera che questo possa diventare un potente strumento che apra la strada a nuovi protocolli di comunicazione quantistica che utilizzino la topologia come alfabeto per l'elaborazione delle informazioni quantistiche attraverso canali basati sull'entanglement.
I risultati riportati nell’articolo sono cruciali perché i ricercatori sono alle prese da decenni con lo sviluppo di tecniche per preservare gli stati entangled. Il fatto che la topologia rimanga intatta anche quando l'entanglement decade suggerisce un meccanismo di codifica potenzialmente nuovo che utilizza l'entanglement, anche in scenari con un entanglement minimo in cui i protocolli di codifica tradizionali fallirebbero.
"Concentreremo i nostri sforzi di ricerca sulla definizione di questi nuovi protocolli e sull'espansione del panorama degli stati quantici topologici non locali", afferma Forbes.
Ulteriori informazioni: Pedro Ornelas et al, Skyrmioni non locali come stati di luce entangled quantistici topologicamente resilienti, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-023-01360-4
Informazioni sul giornale: Fotonica della natura
Fornito da Wits University
