Forskere viser, at kvantesammenfiltring og topologi er uløseligt forbundet

For første gang har forskere demonstreret den bemærkelsesværdige evne til at forstyrre par af rumligt adskilte, men dog indbyrdes forbundne kvantesammenfiltrede partikler uden at ændre deres fælles egenskaber.

Holdet omfatter forskere fra Structured Light Laboratory (School of Physics) ved University of the Witwatersrand i Sydafrika, ledet af professor Andrew Forbes, i samarbejde med strengteoretikeren Robert de Mello Koch fra Huzhou University i Kina (tidligere fra Wits University) .

"Vi opnåede denne eksperimentelle milepæl ved at sammenfiltre to identiske fotoner og tilpasse deres delte bølgefunktion på en sådan måde, at deres topologi eller struktur kun bliver synlig, når fotonerne behandles som en samlet enhed," forklarer hovedforfatter, Pedro Ornelas, MSc. studerende i det strukturerede lyslaboratorium.

Denne forbindelse mellem fotonerne blev etableret gennem kvantesammenfiltring, ofte omtalt som "uhyggelig handling på afstand", hvilket gør det muligt for partikler at påvirke hinandens måleresultater, selv når de er adskilt af betydelige afstande. Forskningen blev offentliggjort i Nature Photonics den 8. januar 2024.

Topologiens rolle og dens evne til at bevare egenskaber kan i dette værk sammenlignes med, hvordan et kaffekrus kan omformes til form af en doughnut; på trods af ændringerne i udseende og form under transformationen, forbliver et enestående hul - en topologisk karakteristik - konstant og uændret. På denne måde er de to objekter topologisk ækvivalente. "Forviklingen mellem vores fotoner er formbar, som ler i en keramikers hænder, men under støbeprocessen bibeholdes nogle funktioner," forklarer Forbes.

Karakteren af ​​den undersøgte topologi, kaldet Skyrmion-topologi, blev oprindeligt udforsket af Tony Skyrme i 1980'erne som feltkonfigurationer, der viser partikellignende karakteristika. I denne sammenhæng refererer topologi til en global egenskab ved felterne, beslægtet med et stykke stof (bølgefunktionen), hvis tekstur (topologien) forbliver uændret uanset i hvilken retning det skubbes.

Disse koncepter er siden blevet realiseret i moderne magnetiske materialer, flydende krystaller og endda som optiske analoger ved hjælp af klassiske laserstråler. Inden for det kondenserede stofs fysik er skyrmioner højt anset for deres stabilitet og støjmodstand, hvilket fører til banebrydende fremskridt inden for datalagringsenheder med høj tæthed. "Vi stræber efter at se en lignende transformativ effekt med vores kvantesammenfiltrede skyrmioner," siger Forbes.

Tidligere forskning skildrede disse Skyrmioner som lokaliseret på et enkelt sted. "Vores arbejde præsenterer et paradigmeskift:den topologi, der traditionelt har været antaget at eksistere i en enkelt og lokal konfiguration, er nu ikke-lokal eller delt mellem rumligt adskilte entiteter," siger Ornelas.

For at udvide dette koncept bruger forskerne topologi som en ramme til at klassificere eller skelne sammenfiltrede tilstande. De forestiller sig, at "dette friske perspektiv kan tjene som et mærkningssystem for indviklede tilstande, beslægtet med et alfabet," siger Dr. Isaac Nape, en medforsker.

"I lighed med hvordan kugler, doughnuts og håndjern adskilles ved antallet af huller, de indeholder, kan vores kvanteskyrmioner differentieres ved deres topologiske aspekter på samme måde," siger Nape. Holdet håber, at dette kan blive et kraftfuldt værktøj, der baner vejen for nye kvantekommunikationsprotokoller, der bruger topologi som et alfabet til kvanteinformationsbehandling på tværs af sammenfiltringsbaserede kanaler.

Resultaterne rapporteret i artiklen er afgørende, fordi forskere i årtier har kæmpet med at udvikle teknikker til at bevare sammenfiltrede stater. Det faktum, at topologien forbliver intakt, selv når sammenfiltringen henfalder, antyder en potentielt ny kodningsmekanisme, der anvender sammenfiltring, selv i scenarier med minimal sammenfiltring, hvor traditionelle kodningsprotokoller ville mislykkes.

"Vi vil fokusere vores forskningsindsats på at definere disse nye protokoller og udvide landskabet af topologiske ikke-lokale kvantetilstande," siger Forbes.

Flere oplysninger: Pedro Ornelas et al., Ikke-lokale skyrmioner som topologisk elastiske kvantesammenfiltrede lystilstande, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-023-01360-4

Journaloplysninger: Naturfotonik

Leveret af Wits University