Skyrmionii cuantici rezistă după dispariția entanglementului
Rețelele cuantice ar putea conecta în viitor calculatoare cuantice în sisteme mai puternice și ar putea permite forme noi de comunicație securizată. Însă informația cuantică este extrem de fragilă, iar entanglementul dintre particulele de lumină, de care ar depinde aceste rețele, este ușor de perturbat.
Într-un articol publicat în Nature Physics, cercetători de la Universitatea din Pennsylvania au demonstrat o posibilă soluție bazată pe topologie, ramura matematicii care consideră echivalente un gogoașă și o cană de cafea, pentru că ambele au o singură gaură care rămâne neschimbată chiar dacă formele lor sunt deformate.
Un cip care generează perechi de fotoni și imprimă un model de polarizare
Pentru a explora dacă proprietățile care persistă la deformare ar putea oferi rezistență sistemelor cuantice, cercetătorii au construit un cip care generează o pereche de fotoni aflați în entanglement, apoi imprimă unuia dintre ei un model distinctiv, numit skyrmion, prin polarizarea luminii într-un anumit mod.
Cercetătorii au constatat că pot transfera modelul skyrmionului, imprimat pe un singur foton, către starea cuantică partajată de cei doi fotoni. Mai surprinzător, când au introdus suficiente perturbări pentru a rupe entanglementul, proprietatea topologică a rămas intactă.
„Este ca și cum mișcarea unică a unui dansator ar deveni brusc parte dintr-un duet și ar persista chiar și atunci când dansatorii sunt separați”, spune Liang Feng, profesor de știința și ingineria materialelor și autorul principal al lucrării. „Dacă reușim să învățăm să codificăm informația în astfel de modele rezistente, am putea pune bazele unor rețele cuantice mult mai fiabile.”
Patternul de polarizare, nu forma fizică
Spre deosebire de gaura dintr-un gogoașă, trăsătura topologică definitorie a unui skyrmion cuantic nu este forma fizică, ci un pattern în modul în care lumina este polarizată. „Lumina oscilează în direcții diferite, în funcție de locul unde o inspectezi”, spune Haoqi Zhao, cercetător postdoctoral la Yale, absolvent al laboratorului lui Feng și primul autor al lucrării. „Este oarecum ca felul în care firele de păr cresc în direcții diferite pe cap.”
Într-un skyrmion cuantic, aceste variații formează un pattern care acoperă toate stările posibile de polarizare de un anumit număr de ori. Chiar dacă părți individuale ale patternului sunt perturbate, acel număr rămâne neschimbat. „Gândește-te la un vârtej în părul cuiva”, spune Zhao. „Poți îndepărta fire individuale fără a schimba patternul general.”
Un deceniu de rafinare pentru un cip scalabil
Lucrări anterioare ale altor cercetători au arătat cum să creeze astfel de patternuri pe fotoni individuali, precum și skyrmioni partajați între fotoni aflați în entanglement. Dar nicio echipă nu demonstrase cum să transfere proprietățile topologice ale unui skyrmion de la un singur foton către o stare cuantică partajată de doi fotoni, cu atât mai puțin pe un cip mic și scalabil, esențial pentru rețelele cuantice viitoare.
Aproape jumătate de deceniu de rafinare a tehnicilor a intrat în dezvoltarea cipului, echipa fabricând prototipuri la Singh Center for Nanotechnology al universității. „Este ca și cum ai construi o fabrică întreagă în miniatură”, spune Yichi Zhang, doctorand în știința și ingineria materialelor și coautor al lucrării. „O parte a cipului generează fotonii aflați în entanglement, alta îi direcționează unde trebuie să ajungă, iar alta creează patternul skyrmionului. Provocarea a fost să facem toate părțile să funcționeze împreună.”
Corelații cuantice care persistă dincolo de entanglement
Odată ce cipul a funcționat, cercetătorii au introdus deliberat perturbări din ce în ce mai puternice asupra fotonilor, inclusiv lumină de fundal nedorită. Pe măsură ce interferența creștea, măsurătorile au arătat că starea cuantică se deteriora, iar entanglementul fotonilor dispărea. Însă proprietatea topologică definitorie a skyrmionului a rămas intactă, cedând doar sub perturbări și mai puternice.
„Lucrări anterioare sugerau că aceste structuri depindeau de entanglement”, spune Zhao. „Rezultatele noastre arată că relația este mai complicată decât credeam.”
Chiar și după dispariția entanglementului, anumite corelații cuantice au persistat, indicând o legătură mai largă între formele generale de corelații cuantice și topologie. „Am arătat că aceste patternuri pot supraviețui fără entanglement, dezvăluind un rol mai profund al corelațiilor cuantice dincolo de entanglement în procesarea informației cuantice”, spune Feng. „Această descoperire ar putea nu doar aprofunda înțelegerea fizicii cuantice, ci și ajuta la dezvoltarea unor noi metode de protejare a informației cuantice.”
