Forskare i Australien har för första gången demonstrerat skyddet av korrelerade tillstånd mellan parade fotoner - paket av ljusenergi - med hjälp av det spännande fysiska konceptet topologi. Detta experimentella genombrott öppnar en väg för att bygga en ny typ av kvantbitar, byggstenarna för kvantdatorer.

Forskningen, utvecklat i nära samarbete med israeliska kollegor, publiceras idag i den prestigefyllda tidskriften, Vetenskap , ett erkännande av den grundläggande betydelsen av detta arbete.

"Vi kan nu föreslå en väg för att bygga robusta intrasslade tillstånd för logiska grindar med hjälp av skyddade par av fotoner, " sa huvudförfattaren Dr Andrea Blanco-Redondo vid University of Sydney Nano Institute.

Logiska grindar är de switchar som behövs för att driva algoritmer skrivna för kvantdatorer. Klassiska beräkningsväxlar är i enkla binära former av noll eller ett. Kvantomkopplare finns i ett tillstånd av "superposition" som kombinerar noll och ett.

Att skydda kvantinformation tillräckligt länge så att kvantmaskiner kan utföra användbara beräkningar är en av de största utmaningarna inom modern fysik. Användbara kvantdatorer kommer att kräva miljontals eller miljarder qubits för att bearbeta information. Än så länge, de bästa experimentella enheterna har cirka 20 qubits.

För att frigöra potentialen med kvantteknik, forskare måste hitta ett sätt att skydda den intrasslade superpositionen av kvantbitar - eller qubits - på nanoskala. Försök att uppnå detta med hjälp av supraledare och fångade joner har visat lovande, men de är mycket känsliga för elektromagnetiska störningar, vilket gör dem djävulskt svåra att skala upp till användbara maskiner.

Användningen av fotoner - paket av ljusenergi - snarare än elektroner har varit ett föreslaget alternativ för att bygga logiska grindar som kan beräkna kvantalgoritmer.

Fotoner, till skillnad från elektroner, är väl isolerade från den termiska och elektromagnetiska miljön. Dock, skalning av kvantenheter baserade på fotoniska qubits har begränsats på grund av spridningsförluster och andra fel; tills nu.

"Vad vi har gjort är att utveckla en ny gitterstruktur av kisel nanotrådar, skapar en speciell symmetri som ger ovanlig robusthet till fotonernas korrelation. Symmetrin både hjälper till att skapa och styra dessa korrelerade tillstånd, kända som "kantlägen", " sa Dr Blanco-Redondo, Messelforskaren vid Fysikskolan.

"Denna robusthet härrör från den underliggande topologin, en global egenskap hos gittret som förblir oförändrad mot oordning."

Korrelationen som detta producerar behövs för att bygga intrasslade tillstånd för kvantportar.

Kanaler, eller vågledare, tillverkad med kisel nanotrådar bara 500 nanometer breda, var uppradade i par med en avsiktlig defekt i symmetri genom mitten, skapa två gitterstrukturer med olika topologier och en mellanliggande 'kant'.

Denna topologi möjliggör skapandet av speciella lägen där fotonerna kan paras ihop - så kallade "kantlägen". Dessa lägen tillåter information som bärs av de parade fotonerna att transporteras på ett robust sätt som annars skulle ha spridits och förlorats över ett enhetligt gitter.

Dr Blanco-Redondo designade och utförde experimentet i Sydney Nanoscience Hub med Dr Bryn Bell, tidigare vid University of Sydney och nu vid University of Oxford.

Fotonerna skapades av hög intensitet, ultrakorta laserpulser, samma underliggande teknologi som Donna Strickland och Gerard Mourou tilldelades 2018 års Nobelpris i fysik.

Denna forskning är den senaste i det senaste decenniets blomstrande upptäckter om materiens topologiska tillstånd. Dessa topologiska egenskaper erbjuder skydd för klassisk information och kvantinformation i så olika fält som elektromagnetism, kondenserad materia, akustik och kalla atomer.

Microsoft Quantum Laboratories, inklusive den i Sydney, driver utvecklingen av elektronbaserade qubits där kvantinformation skyddas topologiskt via knutning av kvasipartiklar som kallas Majorana-fermioner. Detta är lite som att fläta halvelektrontillstånd inducerade genom interaktionen mellan supraledare och halvledande metaller.

Topologiskt skyddade tillstånd har tidigare visats för enstaka fotoner.

Dock, Dr Blanco-Redondo sa:"Kvantinformationssystem kommer att förlita sig på multifotontillstånd, lyfter fram vikten av denna upptäckt för vidare utveckling."

Hon sa att nästa steg kommer att vara att förbättra skyddet av fotonintrasslingen för att skapa robusta, skalbara kvantlogiska grindar.

Professor Stephen Bartlett, en teoretisk kvantfysiker vid Sydney Nano som inte är kopplad till studien, sa:"Dr. Blanco-Redondos resultat är spännande på en grundläggande nivå eftersom det visar förekomsten av skyddade lägen kopplade till gränsen för ett topologiskt ordnat material.

"Vad det betyder för kvantberäkning är oklart eftersom det fortfarande är tidiga dagar. Men förhoppningen är att skyddet som erbjuds av dessa kantlägen skulle kunna användas för att skydda fotoner från de typer av brus som är problematiska för kvanttillämpningar."