Концептуальная иллюстрация запутанной топологии Скирмиона. Каждый фотон вносит свой вклад в возникающую топологию, которая существует только как совокупность двух фотонов.
Предоставлено: Университет Витса.

Впервые исследователи продемонстрировали замечательную способность возмущать пары пространственно разделенных, но связанных между собой квантово-запутанных частиц без изменения их общих свойств.

В состав команды входят исследователи из Лаборатории структурированного света (Физический факультет) Университета Витватерсранда в Южной Африке под руководством профессора Эндрю Форбса в сотрудничестве с теоретиком струн Робертом де Мелло Кохом из Университета Хучжоу в Китае (ранее из Университета Витса). .

«Мы достигли этой экспериментальной вехи, запутав два одинаковых фотона и настроив их общую волновую функцию таким образом, что их топология или структура становятся очевидными только тогда, когда фотоны рассматриваются как единое целое», — объясняет ведущий автор Педро Орнелас, магистр наук, студент в лаборатории структурированного света.

Эта связь между фотонами была установлена посредством квантовой запутанности, часто называемой «жутким действием на расстоянии», позволяющей частицам влиять на результаты измерений друг друга, даже если они разделены значительными расстояниями. Исследование было опубликовано в журнале Nature Photonics 8 января 2024 года.

Роль топологии и ее способности сохранять свойства в этой работе можно сравнить с тем, как кофейной кружке можно придать форму пончика; несмотря на изменения внешнего вида и формы в ходе трансформации, особая дыра — топологическая характеристика — остается постоянной и неизменной. Таким образом, два объекта топологически эквивалентны. «Запутывание между нашими фотонами податливо, как глина в руках гончара, но в процессе формования некоторые особенности сохраняются», — объясняет Форбс.

Природа исследуемой здесь топологии, названной топологией Скирмиона, первоначально была исследована Тони Скирмом в 1980-х годах как конфигурации полей, демонстрирующие характеристики, подобные частицам. В этом контексте топология относится к глобальному свойству полей, подобному куску ткани (волновой функции), текстура которого (топология) остается неизменной независимо от направления, в котором ее толкают.

Эти концепции с тех пор были реализованы в современных магнитных материалах, жидких кристаллах и даже в виде оптических аналогов с использованием классических лазерных лучей. В области физики конденсированного состояния скирмионы высоко ценятся за их стабильность и помехоустойчивость, что приводит к революционным достижениям в области устройств хранения данных с высокой плотностью записи. «Мы стремимся увидеть аналогичный преобразующий эффект с нашими квантово-запутанными скирмионами», — говорит Форбс.

Предыдущие исследования показали, что эти скирмионы локализованы в одном месте. «Наша работа представляет собой сдвиг парадигмы : топология, которая традиционно считалась существующей в единой локальной конфигурации, теперь нелокальна или разделяется между пространственно разделенными объектами», — говорит Орнелас.

Развивая эту концепцию, исследователи используют топологию как основу для классификации или различения запутанных состояний. Они предполагают, что «эта новая точка зрения может служить системой обозначения запутанных состояний, подобной алфавиту», — говорит доктор Исаак Нэйп, соавтор исследования.

«Подобно тому, как сферы, пончики и наручники различаются по количеству содержащихся в них отверстий, наши квантовые скирмионы можно различать по их топологическим аспектам таким же образом», — говорит Нейп. Команда надеется, что это может стать мощным инструментом, который проложит путь к новым протоколам квантовой связи, что используют топологию в качестве алфавита для обработки квантовой информации по каналам, основанным на запутанности.

Результаты, представленные в статье, имеют решающее значение, поскольку исследователи десятилетиями пытались разработать методы сохранения запутанных состояний. Тот факт, что топология остается неизменной даже при ослаблении запутанности, предполагает потенциально новый механизм кодирования, который использует запутанность даже в сценариях с минимальной запутанностью, где традиционные протоколы кодирования не работают.

«Мы сосредоточим наши исследовательские усилия на определении этих новых протоколов и расширении ландшафта топологических нелокальных квантовых состояний», — говорит Форбс.