Den første demonstration af fletning i fotoniske topologiske nultilstande

Fysisk teori antyder, at eksotiske excitationer kan eksistere i form af bundne tilstande begrænset i nærheden af ​​topologiske defekter, for eksempel, i tilfælde af Majorana -nultilstande, der er fanget i hvirvler inden for topologiske superledende materialer. Bedre forståelse af disse stater kan hjælpe udviklingen af ​​nye beregningsværktøjer, herunder kvanteteknologier.

Et fænomen, der har tiltrukket opmærksomhed i løbet af de sidste par år, er "fletning, ", der opstår, når elektroner i bestemte tilstande (dvs. Majorana fermions) er flettet med hinanden. Nogle fysikere har teoretiseret, at dette fænomen kunne muliggøre udviklingen af ​​en ny type kvanteteknologi, nemlig topologiske kvantecomputere.

Forskere ved Pennsylvania State University, University of California-Berkeley, Iowa State University, University of Pittsburgh, og Boston University har for nylig testet hypotesen om, at fletning også forekommer i andre partikler end elektroner, såsom fotoner (dvs. lyspartikler). I et papir udgivet i Naturfysik , de præsenterer den første eksperimentelle demonstration af fletning ved hjælp af fotoniske topologiske nultilstande.

"Ideen var inspireret af en velkendt arkitektur til opbygning af en kvantecomputer; en der er teoretisk forudsagt, men aldrig eksperimentelt realiseret, "Mikael C. Rechtsman, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "For at udføre operationer i denne tidligere teoretiserede type kvantecomputer, Majorana fermioner flyttes rundt om hinanden - dette kaldes fletning. I et tidligere teoretisk studie, nogle af mine kolleger forudsagde, at fletning er et generelt fænomen, der ikke kun kan anvendes på elektroner, men til fotoner, såvel. I vores nye papir, vi demonstrerer dette eksperimentelt, ved hjælp af en række bølgeledere, der ligner fiberoptiske kabler. "

Rechtsman og hans kolleger målte den geometriske fase af fletningsfænomenet ved at udføre et eksperiment, hvor to forskellige fletningsprocesser forstyrrede hinanden. I en af ​​disse processer, topologiske defekter blev flettet med uret, mens i den anden, de blev flettet mod uret.

Interferens er et træk ved bølgemekanik, der ofte bruges til at studere fysiske systemer. Denne funktion er ansvarlig for utallige bølgerelaterede fænomener, lige fra regnbue hvirvler på sæbebobler til gravitationsbølger.

"Vi observerede, at lyset fra de to modsatte fletningsprocesser interfererede destruktivt, hvilket bekræftede vores teoretiske forudsigelse om, at processerne har en relativ fletningsfase af pi, "Thomas Schuster, en anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Vigtigt, på grund af den særligt enkle handling ved fletning, den måling, vi har indsamlet, giver os mulighed for at ekstrapolere adfærden ved enhver fletningsproces. I særdeleshed, det bekræfter, at når der udføres flere fletninger i træk, rækkefølgen af ​​fletningen betyder noget. "

Retsmand, Schuster og deres kolleger demonstrerede eksistensen af ​​en generaliserbar fletningsproces, som de omtaler som ikke-abelsk fletning, hvilket er en simpel manifestation af en funktion, som forskere har søgt efter i elektroniske systemer i flere år. Deres resultater tyder på, at fletning kan, faktisk, være et almindeligt fænomen, der rækker ud over elektroner og også gælder lys, lyd, vand og potentielt endda seismiske bølger.

Ud over at fremhæve muligheden for at bruge fotoniske gitter som en platform til at studere topologiske defekter og deres fletning, denne undersøgelse kan inspirere andre forskerhold til at undersøge fletning i forbindelse med andre fænomener, der involverer produktion af bølger. Retsmand, Schuster og deres kolleger planlægger nu at fortsætte med at undersøge fletningen af ​​fotoniske topologiske nultilstande, sammen med andre topologiske fænomener, der også kunne anvendes på lysrelaterede systemer.

"Fletning er et topologisk fænomen, der traditionelt har været forbundet med elektroniske enheder, "Rechtsman sagde." Vi håber nu at vise, at en hel klasse af topologiske fænomener potentielt kan være nyttige ikke kun for elektroniske enheder, men også fotoniske enheder, såsom lasere, medicinsk billeddannelsesudstyr, telekommunikationssystemer, og andre. Vi forventer også, at denne nye type topologisk fysik kan anvendes på kvanteinformationssystemer, især dem baseret på fotoner. "

© 2020 Science X Network