Imitationsspillet:Forskere beskriver og efterligner nye kvantetilstande af sammenfiltrede fotoner

Et forskerhold fra ITMO University, med hjælp fra kolleger fra MIPT (Rusland) og Politecnico di Torino (Italien), har forudsagt en ny type topologisk kvantetilstand af to fotoner. Forskere har også anvendt en ny, overkommelig eksperimentel metode til at teste denne forudsigelse. Metoden bygger på en analogi:I stedet for dyre eksperimenter med kvantesystemer af to eller flere sammenfiltrede fotoner, forskerne har brugt resonans-elektriske kredsløb med højere dimensionalitet beskrevet af lignende ligninger. De opnåede resultater kan være nyttige til konstruktion af optiske chips og kvantecomputere uden behov for dyre eksperimenter. Forskningen blev offentliggjort i Naturkommunikation .

Lys spiller en nøglerolle i moderne informationsteknologier:Med dets hjælp, information transmitteres over store afstande via optiske fibre. I fremtiden, forskere forudser opfindelsen af ​​optiske chips og computere, der behandler information ved hjælp af fotoner - lyskvanter - i stedet for elektroner, som det gøres i dag. Dette vil reducere energiforbruget, samtidig med at computerens muligheder øges. Imidlertid, at gøre disse forudsigelser til virkelighed, Grundlæggende og anvendt forskning i lysadfærd på mikro- og nanoskala er nødvendig.

I den nye undersøgelse, forskerne har teoretisk forudsagt dannelsen af ​​en ny kvantetilstand af fotoner:To fotoner, der forplanter sig i rækken af ​​kvantemikroresonatorer (qubits), kan danne et bundet par og slå sig ned på kanten af ​​arrayet. Et ordentligt eksperiment kræver specielle nanostrukturer, samt specielle enheder til at skabe en sådan kvantetilstand af fotoner og detektere den. I øjeblikket, sådanne kapaciteter er kun tilgængelige for meget få forskerhold på verdensplan.

Hvis det er for dyrt at udføre et præcist eksperiment, det kan være nyttigt at komme med en model, eller en analogi, hvilket ville give en mulighed for at teste de teoretiske antagelser uden at bruge for mange ressourcer. Dette er præcis, hvad ITMO University fysikere formåede at gøre. De har tegnet en analogi mellem en specifik klasse af kvantesystemer og klassiske elektriske kredsløb med højere dimensionalitet.

"Vi forbinder forskellige punkter på tavlen til en ekstern strømkilde og studerer systemets respons ved hjælp af et multimeter og oscilloskop, " forklarer Nikita Olekhno, Ph.D. studerende ved ITMO University. "Resultatet er beskrevet af klassiske ligninger, der i vores tilfælde falder sammen med kvanteligningerne, der beskriver to-fotontilstande i rækken af ​​qubits. De samme ligninger skal have de samme løsninger, og det er lige meget, om det er en bølgefunktion af en kvantepartikel eller et elektrisk potentiale."

Selvfølgelig, analogien, som ITMO-universitetets forskere er kommet frem til, kan ikke helt erstatte eksperimenter med kvantesystemer. Imidlertid, den klassiske struktur, der blev udviklet af holdet, giver forskere mulighed for at udføre mange eksperimenter, at levere værdifuld information inden for kvantefotonik. Det faktum, at det for første gang lykkedes forskerne fra St. Petersborg at finde en sådan analogi for kvantesystemer af mange partikler, er meget lovende.

"Teori er altid foran eksperimentelle evner. For at være på forkant med teorien, vi studerer subtile effekter, som vi først vil være i stand til at opdage eksperimentelt om flere år, " siger Maxim Gorlach, leder af projektet og seniorforsker ved ITMO Universitet. "Vi udfører i øjeblikket en række eksperimenter på dette felt ved at forske i topologiske kanttilstande for mere eksotiske kvantesystemer og udvikle måder at emulere dem på. Sådanne eksperimenter er vigtige både for grundlæggende fysik og fremtidige praktiske anvendelser."