Een onderzoeksteam van ITMO University, met de hulp van collega's van MIPT (Rusland) en Politecnico di Torino (Italië), heeft een nieuw type topologische kwantumtoestand van twee fotonen voorspeld. Wetenschappers hebben ook een nieuwe, betaalbare experimentele methode om deze voorspelling te testen. De methode is gebaseerd op een analogie:in plaats van dure experimenten met kwantumsystemen van twee of meer verstrengelde fotonen, de onderzoekers hebben resonante elektrische circuits van hogere dimensionaliteit gebruikt die worden beschreven door vergelijkbare vergelijkingen. De verkregen resultaten kunnen zonder dure experimenten nuttig zijn voor de engineering van optische chips en kwantumcomputers. Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Licht speelt een sleutelrol in moderne informatietechnologieën:met zijn hulp, informatie wordt via optische vezels over grote afstanden verzonden. In de toekomst, wetenschappers anticiperen op de uitvinding van optische chips en computers die informatie verwerken met behulp van fotonen - lichtquanta - in plaats van elektronen, zoals het vandaag wordt gedaan. Dit zal het energieverbruik verminderen, terwijl ook de mogelijkheden van computers worden vergroot. Echter, om deze voorspellingen om te zetten in realiteit, fundamenteel en toegepast onderzoek naar lichtgedrag op micro- en nanoschaal is nodig.

In de nieuwe studie de onderzoekers hebben theoretisch de vorming van een nieuwe kwantumtoestand van fotonen voorspeld:twee fotonen die zich voortplanten in de reeks kwantummicroresonatoren (qubits) kunnen een gebonden paar vormen en neerslaan op de rand van de reeks. Een goed experiment vereist speciale nanostructuren, evenals speciale apparaten om zo'n kwantumtoestand van fotonen te creëren en te detecteren. Momenteel, dergelijke mogelijkheden zijn slechts beschikbaar voor zeer weinig onderzoeksteams wereldwijd.

Als het uitvoeren van een nauwkeurig experiment te duur is, het kan handig zijn om een ​​model te bedenken, of een analogie, waarmee men de theoretische veronderstellingen zou kunnen testen zonder al te veel middelen uit te geven. Dit is precies wat de natuurkundigen van ITMO University gelukt zijn. Ze hebben een analogie getrokken tussen een specifieke klasse van kwantumsystemen en klassieke elektrische circuits van hogere dimensionaliteit.

"We verbinden verschillende punten op het bord met een externe stroombron en bestuderen de reactie van het systeem met behulp van een multimeter en oscilloscoop, " legt Nikita Olekhno uit, doctoraat student aan de ITMO-universiteit. "Het resultaat wordt beschreven door klassieke vergelijkingen die in ons geval samenvallen met de kwantumvergelijkingen die twee-fotontoestanden in de reeks qubits beschrijven. Dezelfde vergelijkingen moeten dezelfde oplossingen hebben, en het maakt niet uit of het een golffunctie is van een kwantumdeeltje of een elektrisch potentieel."

Natuurlijk, de analogie die wetenschappers van de ITMO University hebben bedacht, kan experimenten met kwantumsystemen niet helemaal vervangen. Echter, de klassieke structuur die door het team is ontwikkeld, stelt onderzoekers in staat om veel experimenten uit te voeren, het verstrekken van waardevolle informatie voor het gebied van kwantumfotonica. Dat de wetenschappers uit St. Petersburg voor het eerst zo'n analogie voor kwantumsystemen van veel deeltjes hebben weten te vinden, is veelbelovend.

"Theorie loopt altijd voor op experimentele mogelijkheden. Om voorop te lopen in de theorie, we bestuderen subtiele effecten die we pas over enkele jaren experimenteel kunnen detecteren, " zegt Maxim Gorlach, hoofd van het project en senior onderzoeker aan de ITMO University. "We voeren momenteel een reeks experimenten uit op dit gebied door topologische randtoestanden van meer exotische kwantumsystemen te onderzoeken en manieren te ontwikkelen voor hun emulatie. Dergelijke experimenten zijn belangrijk voor zowel fundamentele fysica als toekomstige praktische toepassingen."