Topologisk beskyttelse af sammenfiltret to-foton lys i fotoniske topologiske isolatorer

I en fælles indsats, forskere fra Humboldt-Universität (Berlin), Max Born Institute (Berlin) og University of Central Florida (U.S.) har afsløret de nødvendige betingelser for robust transport af sammenfiltrede tilstande af to-fotonlys i fotoniske topologiske isolatorer, baner vejen mod støjbestandig transport af kvanteinformation. Resultaterne er dukket op i Naturkommunikation.

Oprindeligt opdaget i systemer med kondenseret stof, topologiske isolatorer er todimensionelle materialer, der understøtter spredningsfri (envejs) transport langs deres kanter, selv ved tilstedeværelse af defekter og uorden. I det væsentlige, topologiske isolatorer er endelige gittersystemer, hvor, givet en passende afslutning af det underliggende uendelige gitter, der dannes kanttilstande, der ligger i et veldefineret energigab forbundet med bulktilstandene, dvs. disse kanttilstande er energetisk adskilt fra bulktilstandene (fig. 1).

Vigtigt, enkeltpartikelkantstilstande i sådanne systemer er topologisk beskyttet mod spredning:De kan ikke sprede sig ind i hovedparten på grund af deres energi, der ligger i hullet, og de kan ikke spredes bagud, fordi bagud-udbredende kanttilstande enten er fraværende eller ikke koblet til de fremadrettede kanttilstande.

Gennemførligheden af ​​at konstruere komplekse Hamiltonianere ved hjælp af integrerede fotoniske gitter kombineret med tilgængeligheden af ​​sammenfiltrede fotoner rejser den spændende mulighed for at anvende topologisk beskyttede sammenfiltrede tilstande i optisk kvanteberegning og informationsbehandling (Science 362, 568, (2018), Optica 6, 955 (2019)).

At nå dette mål, imidlertid, er meget ikke-trivielt, da topologisk beskyttelse ikke ligefrem omfatter multi-partikel (tilbage-)spredning. I starten dette faktum ser ud til at være kontraintuitivt, fordi individuelt, hver partikel er beskyttet af topologi, mens i fællesskab, sammenfiltrede (korrelerede) partikler bliver meget modtagelige for forstyrrelser af det ideelle gitter. Det underliggende fysiske princip bag denne tilsyneladende uoverensstemmelse er, at kvantemekanisk, identiske partikler er beskrevet af tilstande, der opfylder et udvekslingssymmetri -princip.

I deres arbejde, forskerne gør flere grundlæggende fremskridt mod at forstå og kontrollere topologisk beskyttelse i forbindelse med tilstande med flere partikler:

• Først, de identificerer fysiske mekanismer, som inducerer en sårbarhed af sammenfiltrede tilstande i topologiske fotoniske gitter og præsenterer klare retningslinjer for maksimering af sammenfiltring uden at ofre topologisk beskyttelse.
• Sekund, de etablerer og demonstrerer en tærskellignende adfærd af sammenfiltringssårbarhed og identificerer betingelser for robust beskyttelse af stærkt sammenfiltrede to-fotontilstande.

For at være præcis, de undersøger virkningen af ​​uorden på en række to-fotontilstande, der strækker sig fra de fuldt korrelerede til de fuldt anti-korrelerede grænser, derved også dække en fuldstændig adskillelig tilstand. Til deres analyse, de betragter to topologiske gitter, en periodisk og en aperiodisk. I det periodiske tilfælde, de betragter Haldane-modellen, og for aperiodisk sag, et firkantet gitter, hvis enkeltpartikeldynamik svarer til kvante Hall-effekten, er studeret.

Resultaterne giver en klar køreplan for generering af robuste bølgepakker, der er skræddersyet til den særlige lidelse ved hånden. Specifikt, de etablerer grænser for stabiliteten af ​​sammenfiltrede tilstande op til relativt høje grader af sammenfiltring, der tilbyder praktiske retningslinjer for generering af nyttige sammenfiltrede tilstande i topologiske fotoniske systemer. Yderligere, disse resultater viser, at for at maksimere sammenfiltring uden at ofre topologisk beskyttelse, det fælles spektrale korrelationskort over to-fotontilstande skal passe ind i et veldefineret topologisk beskyttelsesvindue. (Fig. 2).