Voor de eerste keer hebben onderzoekers het opmerkelijke vermogen aangetoond om paren van ruimtelijk gescheiden maar onderling verbonden kwantumverstrengelde deeltjes te verstoren zonder hun gedeelde eigenschappen te veranderen.

Het team bestaat uit onderzoekers van het Structured Light Laboratory (School of Physics) aan de Universiteit van de Witwatersrand in Zuid-Afrika, onder leiding van professor Andrew Forbes, in samenwerking met snaartheoreticus Robert de Mello Koch van Huzhou University in China (voorheen van Wits University) .

"We hebben deze experimentele mijlpaal bereikt door twee identieke fotonen met elkaar te verstrengelen en hun gedeelde golffunctie zo aan te passen dat hun topologie of structuur alleen duidelijk wordt wanneer de fotonen als een verenigde entiteit worden behandeld", legt hoofdauteur Pedro Ornelas, een MSc, uit. student in het gestructureerd lichtlaboratorium.

Deze verbinding tussen de fotonen werd tot stand gebracht door middel van kwantumverstrengeling, vaak aangeduid als ‘spookachtige actie op afstand’, waardoor deeltjes elkaars meetresultaten konden beïnvloeden, zelfs als ze over aanzienlijke afstanden van elkaar verwijderd waren. Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Photonics op 8 januari 2024.

De rol van topologie en het vermogen ervan om eigenschappen te behouden, kan in dit werk worden vergeleken met hoe een koffiemok kan worden omgevormd tot een donut; Ondanks de veranderingen in uiterlijk en vorm tijdens de transformatie blijft een enkelvoudig gat – een topologisch kenmerk – constant en onveranderd. Op deze manier zijn de twee objecten topologisch gelijkwaardig. "De verstrengeling tussen onze fotonen is kneedbaar, zoals klei in de handen van een pottenbakker, maar tijdens het gietproces blijven sommige kenmerken behouden", legt Forbes uit.

De aard van de hier onderzochte topologie, genaamd Skyrmion-topologie, werd aanvankelijk in de jaren tachtig door Tony Skyrme onderzocht als veldconfiguraties die deeltjesachtige kenmerken vertoonden. In deze context verwijst topologie naar een globale eigenschap van de velden, vergelijkbaar met een stuk stof (de golffunctie) waarvan de textuur (de topologie) onveranderd blijft, ongeacht de richting waarin het wordt geduwd.

Deze concepten zijn sindsdien gerealiseerd in moderne magnetische materialen, vloeibare kristallen en zelfs als optische analogen met behulp van klassieke laserstralen. Op het gebied van de fysica van de gecondenseerde materie staan ​​skyrmionen hoog aangeschreven vanwege hun stabiliteit en geluidsbestendigheid, wat leidt tot baanbrekende ontwikkelingen op het gebied van gegevensopslagapparaten met hoge dichtheid. "We streven ernaar een soortgelijke transformatieve impact te zien met onze kwantum-verstrengelde skyrmionen", zegt Forbes.

Uit eerder onderzoek is gebleken dat deze Skyrmions zich op één enkele locatie bevinden. "Ons werk presenteert een paradigmaverschuiving:de topologie waarvan traditioneel werd gedacht dat deze in een enkele en lokale configuratie bestond, is nu niet-lokaal of gedeeld tussen ruimtelijk gescheiden entiteiten", zegt Ornelas.

Voortbouwend op dit concept gebruiken de onderzoekers topologie als raamwerk om verstrengelde toestanden te classificeren of te onderscheiden. Ze voorzien dat “dit frisse perspectief kan dienen als een etiketteringssysteem voor verstrengelde staten, vergelijkbaar met een alfabet”, zegt Dr. Isaac Nape, een mede-onderzoeker.

"Net zoals bollen, donuts en handboeien zich onderscheiden door het aantal gaten dat ze bevatten, kunnen onze kwantumskyrmionen op dezelfde manier worden onderscheiden door hun topologische aspecten", zegt Nape. Het team hoopt dat dit een krachtig hulpmiddel kan worden dat de weg vrijmaakt voor nieuwe kwantumcommunicatieprotocollen die topologie gebruiken als alfabet voor de verwerking van kwantuminformatie via op verstrengeling gebaseerde kanalen.

De bevindingen in het artikel zijn van cruciaal belang omdat onderzoekers al tientallen jaren worstelen met het ontwikkelen van technieken om verstrengelde staten te behouden. Het feit dat de topologie intact blijft, zelfs als de verstrengeling afneemt, suggereert een potentieel nieuw coderingsmechanisme dat gebruik maakt van verstrengeling, zelfs in scenario's met minimale verstrengeling waarin traditionele coderingsprotocollen zouden falen.

"We zullen onze onderzoeksinspanningen richten op het definiëren van deze nieuwe protocollen en het uitbreiden van het landschap van topologische niet-lokale kwantumstaten", zegt Forbes.

Meer informatie: Pedro Ornelas et al, Niet-lokale skyrmionen als topologisch veerkrachtige kwantumverstrengelde lichttoestanden, Natuurfotonica (2024). DOI:10.1038/s41566-023-01360-4

Journaalinformatie: Natuurfotonica

Aangeboden door Wits University