In een gezamenlijke inspanning, onderzoekers van de Humboldt-Universität (Berlijn), het Max Born Institute (Berlijn) en de University of Central Florida (V.S.) hebben de noodzakelijke voorwaarden onthuld voor het robuuste transport van verstrengelde toestanden van twee-fotonlicht in fotonische topologische isolatoren, de weg vrijmaken voor ruisbestendig transport van kwantuminformatie. De resultaten zijn verschenen in Natuur Communicatie.

Oorspronkelijk ontdekt in systemen van gecondenseerde materie, topologische isolatoren zijn tweedimensionale materialen die verstrooiingsvrij (unidirectioneel) transport langs hun randen ondersteunen, zelfs in aanwezigheid van gebreken en wanorde. In essentie, topologische isolatoren zijn eindige roostersystemen waarbij, gegeven een geschikte beëindiging van het onderliggende oneindige rooster, randtoestanden worden gevormd die in een goed gedefinieerde energiekloof liggen die verband houdt met de bulktoestanden, d.w.z. deze randtoestanden zijn energetisch gescheiden van de bulktoestanden (figuur 1).

belangrijk, randtoestanden van één deeltje in dergelijke systemen zijn topologisch beschermd tegen verstrooiing:ze kunnen zich niet in de bulk verspreiden omdat hun energie in de opening ligt, en ze kunnen niet achterwaarts verstrooien omdat achterwaarts voortplantende randtoestanden ofwel afwezig zijn of niet gekoppeld zijn aan de voorwaarts voortplantende randtoestanden.

De haalbaarheid van het engineeren van complexe Hamiltonianen met behulp van geïntegreerde fotonische roosters in combinatie met de beschikbaarheid van verstrengelde fotonen, verhoogt de intrigerende mogelijkheid om topologisch beschermde verstrengelde toestanden te gebruiken in optische kwantumcomputers en informatieverwerking (Science 362, 568, (2018), optiek 6, 955 (2019)).

Het bereiken van dit doel, echter, is hoogst niet-triviaal, aangezien topologische bescherming zich niet zonder meer uitbreidt tot (terug)verstrooiing van meerdere deeltjes. Aanvankelijk, dit feit lijkt contra-intuïtief te zijn omdat individueel, elk deeltje wordt beschermd door topologie, terwijl gezamenlijk, verstrengelde (gecorreleerde) deeltjes worden zeer gevoelig voor verstoringen van het ideale rooster. Het onderliggende fysieke principe achter deze schijnbare discrepantie is dat, kwantum mechanisch, identieke deeltjes worden beschreven door toestanden die voldoen aan een principe van uitwisselingssymmetrie.

In hun werk, de onderzoekers boeken verschillende fundamentele vooruitgang in het begrijpen en beheersen van topologische bescherming in de context van toestanden met meerdere deeltjes:

• Eerst, ze identificeren fysieke mechanismen die een kwetsbaarheid van verstrengelde toestanden in topologische fotonische roosters veroorzaken en presenteren duidelijke richtlijnen voor het maximaliseren van verstrengeling zonder topologische bescherming op te offeren.
• Tweede, ze vestigen en demonstreren een drempelachtig gedrag van verstrengelingskwetsbaarheid en identificeren voorwaarden voor robuuste bescherming van sterk verstrengelde twee-fotontoestanden.

Precies zijn, ze onderzoeken de impact van wanorde op een reeks van twee-fotontoestanden die zich uitstrekken van de volledig gecorreleerde tot de volledig anti-gecorreleerde limieten, waardoor ook een volledig scheidbare staat wordt gedekt. Voor hun analyse ze beschouwen twee topologische roosters, een periodiek en een aperiodiek. In het periodieke geval ze beschouwen het Haldane-model, en voor het aperiodieke geval, een vierkant rooster, waarvan de dynamiek van één deeltje overeenkomt met het kwantum Hall-effect, wordt bestudeerd.

De resultaten bieden een duidelijke routekaart voor het genereren van robuuste golfpakketten die zijn afgestemd op de betreffende aandoening. specifiek, ze stellen grenzen aan de stabiliteit van verstrengelde toestanden tot relatief hoge verstrengelingsgraden die praktische richtlijnen bieden voor het genereren van bruikbare verstrengelde toestanden in topologische fotonische systemen. Verder, deze bevindingen tonen aan dat om verstrengeling te maximaliseren zonder topologische bescherming op te offeren, de gezamenlijke spectrale correlatiekaart van twee-fotontoestanden moet passen binnen een goed gedefinieerd topologisch beschermingsvenster. (Figuur 2).