Eeneiige tweelingen lijken misschien 'niet van elkaar te onderscheiden, ' maar in de kwantumwereld krijgt het woord een nieuwe betekenis. Hoewel identieke tweelingen veel eigenschappen delen, het universum behandelt twee niet te onderscheiden kwantumdeeltjes als intrinsiek uitwisselbaar. Dit opent de deur voor niet van elkaar te onderscheiden deeltjes om op unieke manieren te interageren, zoals bij kwantuminterferentie, die nodig zijn voor kwantumcomputers.

Terwijl het genereren van een menigte fotonen - lichtdeeltjes - net zo eenvoudig is als het omdraaien van een lichtschakelaar, het is lastiger om een ​​paar niet van elkaar te onderscheiden fotonen te maken. En er is nog meer werk voor nodig om dat paar een kwantummechanische link te geven die bekend staat als verstrengeling. In een artikel gepubliceerd op 10 mei, 2021 in het journaal Natuurfotonica , JQI-onderzoekers en hun collega's beschrijven een nieuwe manier om verstrengelde tweelingdeeltjes van licht te maken en hun eigenschappen af ​​te stemmen met behulp van een methode die handig op een chip is ondergebracht, een potentiële zegen voor kwantumtechnologieën die een betrouwbare bron van goed op maat gemaakte fotonparen vereisen.

De onderzoekers, geleid door JQI-collega Mohammad Hafezi, ontwierp de methode om de voordelen van topologische fysica te benutten. Topologische fysica onderzoekt voorheen onaangeboorde fysieke fenomenen met behulp van het wiskundige veld van de topologie, die gemeenschappelijke kenmerken beschrijft die door verschillende vormen worden gedeeld. (Waar geometrie hoeken en maten betreft, topologie gaat meer over gaten en gaatjes - allesomvattende kenmerken die niet afhankelijk zijn van lokale details.) Onderzoekers hebben verschillende belangrijke ontdekkingen gedaan door deze benadering toe te passen, die beschrijft hoe kwantumdeeltjes, zoals elektronen of, in dit geval, fotonen - kunnen in een bepaald materiaal of apparaat bewegen door de brede kenmerken ervan te analyseren door de lens van topologische kenmerken die overeenkomen met abstracte vormen (zoals de donut in de afbeelding hierboven). De geopenbaarde topologische verschijnselen zijn direct verbonden met de algemene aard van het materiaal; ze moeten zelfs bestaan ​​in de aanwezigheid van materiële onzuiverheden die de soepele beweging van fotonen of elektronen in de meeste andere omstandigheden zouden verstoren.

Hun nieuwe methode bouwt voort op eerder werk, inclusief het genereren van een reeks te onderscheiden fotonparen. In zowel de nieuwe als de oude experimenten, het team creëerde een dambord van ringen op een siliciumchip. Elke ring is een resonator die zich gedraagt ​​als een kleine racebaan die is ontworpen om bepaalde fotonen lange tijd rond te laten reizen. Maar aangezien individuele fotonen in een resonator volgens kwantumregels leven, de raceauto's (fotonen) kunnen soms gewoon onveranderd door een tussenliggende muur gaan en over een naburig spoor razen.

Het herhalende raster van ringen bootst het herhalende raster van atomen na waar elektronen doorheen reizen in een vaste stof, waardoor de onderzoekers situaties voor licht konden ontwerpen die de bekende topologische effecten in elektronica weerspiegelen. Door verschillende topologische omgevingen te creëren en te verkennen, het team heeft nieuwe manieren ontwikkeld om fotonen te manipuleren.

"Het is precies dezelfde wiskunde die van toepassing is op elektronen en fotonen, " zegt Sunil Mittal, een JQI postdoctoraal onderzoeker en de eerste auteur van het artikel. "Dus je krijgt min of meer dezelfde topologische kenmerken. Alle wiskunde die je met elektronen doet, je kunt gewoon meenemen naar fotonische systemen."

In het huidige werk ze creëerden een elektronisch fenomeen dat het abnormale kwantum Hall-effect wordt genoemd en dat paden opent voor elektronen aan de rand van een materiaal. Deze randpaden, die topologische randtoestanden worden genoemd, bestaan ​​vanwege topologische effecten, en ze kunnen op betrouwbare wijze elektronen transporteren, terwijl routes door het interieur gemakkelijk verstoord en onbegaanbaar blijven. Om dit specifieke topologische effect te bereiken, moeten gelokaliseerde magnetische velden op elektronen drukken en dat het totale magnetische veld, wanneer het wordt gemiddeld over grotere delen van het materiaal, tot nul wordt opgeheven.

Maar fotonen missen de elektrische lading die elektronen gevoelig maakt voor magnetische stoten, dus het team moest de magnetische druk op een andere manier recreëren. Om dit te behalen, ze hebben de sporen zo aangelegd dat het voor de fotonen gemakkelijker is om kwantummechanisch in bepaalde richtingen tussen ringen te springen. Dit simuleert de ontbrekende magnetische invloed en creëert een omgeving met een fotonische versie van het afwijkende kwantum Hall-effect en zijn stabiele randpaden.

Voor dit experiment is het team stuurde twee laserstralen van twee verschillende kleuren (frequenties) licht naar deze zorgvuldig ontworpen omgeving. Binnen een resonator, een foton uit elk van de bundels combineert spontaan. De onderzoekers observeerden vervolgens hoe de fotonen zich hervormden tot twee niet te onderscheiden fotonen, reisden door de topologische randpaden en werden uiteindelijk uit de chip verwijderd.

Omdat de nieuwe fotonen zich in een resonatorring vormden, ze namen de eigenschappen (polarisatie en ruimtelijke modus) over van de fotonen waarvoor de resonatoren zijn ontworpen. De enige eigenschap waar het team zich nog zorgen over hoefde te maken, waren hun frequenties.

De onderzoekers kwamen overeen met de frequenties van de fotonen door de juiste ingangsfrequenties voor de twee lasers te selecteren op basis van hoe ze zouden combineren in de siliciumresonatoren. Met de juiste theoretische kennis van het experiment, ze kunnen fotonen produceren die kwantummechanisch niet van elkaar te onderscheiden zijn.

De aard van de vorming van de nieuwe fotonen zorgt voor de gewenste kwantumkarakteristieken. De fotonen zijn kwantummechanisch verstrengeld vanwege de manier waarop ze als paren werden gegenereerd; hun gecombineerde eigenschappen - zoals de totale energie van het paar - worden beperkt door wat de originele fotonen in de mix brachten, dus het observeren van de eigenschap van de een onthult onmiddellijk het equivalente feit over de ander. Totdat ze worden waargenomen - dat wil zeggen, gedetecteerd door de onderzoekers - ze bestaan ​​niet als twee individuele deeltjes met verschillende kwantumtoestanden voor hun frequenties. Liever, het zijn identieke mengsels van mogelijke frequentietoestanden die een superpositie worden genoemd. Omdat de twee fotonen niet van elkaar te onderscheiden zijn, kunnen ze kwantummechanisch met elkaar interfereren

De resulterende combinatie van niet te onderscheiden en verstrengeld zijn is essentieel voor veel mogelijke toepassingen van fotonen in kwantumtechnologieën. Een bijkomend gelukkig neveneffect van de topologische benadering van de onderzoeker is dat het hen een groter vermogen geeft om de frequenties van de tweelingfotonen aan te passen op basis van de frequenties die ze in de chip pompen en hoe goed de frequenties overeenkomen met de topologische toestanden aan de rand van de apparaat.

"Dit is niet de enige manier om verstrengelde fotonparen te genereren - er zijn veel andere apparaten - maar ze zijn niet afstembaar, " zegt Mittal. "Dus als je je apparaat eenmaal hebt gefabriceerd, het is wat het is. Als je de bandbreedte van de fotonen wilt veranderen of iets anders wilt doen, het is onmogelijk. Maar in ons geval we hoeven geen nieuw apparaat te ontwerpen. Dat hebben we laten zien, gewoon door de pompfrequenties af te stemmen, we konden de interferentie-eigenschappen afstemmen. Dus, dat was heel spannend."

De combinatie van afstembare en robuuste apparaten tegen fabricagefouten maakt ze een aantrekkelijke optie voor praktische toepassingen, zeggen de auteurs. Het team is van plan om door te gaan met het verkennen van het potentieel van deze techniek en gerelateerde topologische apparaten en mogelijke manieren om de apparaten verder te verbeteren, zoals het gebruik van andere materialen om ze te maken.