En forskargrupp från ITMO University, med hjälp av kollegor från MIPT (Ryssland) och Politecnico di Torino (Italien), har förutspått en ny typ av topologiskt kvanttillstånd för två fotoner. Forskare har också tillämpat en ny, prisvärd experimentell metod för att testa denna förutsägelse. Metoden bygger på en analogi:Istället för dyra experiment med kvantsystem av två eller flera intrasslade fotoner, forskarna har använt elektriska resonanskretsar med högre dimensionalitet som beskrivs av liknande ekvationer. De erhållna resultaten kan vara användbara för konstruktion av optiska chips och kvantdatorer utan behov av dyra experiment. Forskningen publicerades i Naturkommunikation .

Ljus spelar en nyckelroll i modern informationsteknik:Med dess hjälp, information överförs över stora avstånd via optiska fibrer. I framtiden, forskare förutser uppfinningen av optiska chips och datorer som bearbetar information med hjälp av fotoner – ljuskvanta – istället för elektroner, som det görs idag. Detta kommer att minska energiförbrukningen, samtidigt som det ökar datorernas kapacitet. Dock, att göra dessa förutsägelser till verklighet, grundläggande och tillämpad forskning om ljusbeteende på mikro- och nanoskala behövs.

I den nya studien, forskarna har teoretiskt förutspått bildandet av ett nytt kvanttillstånd av fotoner:Två fotoner som fortplantar sig i arrayen av kvantmikroresonatorer (qubits) kan bilda ett bundet par och slå sig ner på kanten av arrayen. Ett riktigt experiment kräver speciella nanostrukturer, samt speciella anordningar för att skapa sådana kvanttillstånd av fotoner och detektera det. För närvarande, sådan kapacitet är endast tillgänglig för mycket få forskarlag i hela världen.

Om det är för dyrt att utföra ett exakt experiment, det kan vara användbart att komma på en modell, eller en analogi, vilket skulle göra det möjligt för en att testa de teoretiska antagandena utan att spendera för mycket resurser. Detta är precis vad ITMO University fysiker lyckades göra. De har dragit en analogi mellan en specifik klass av kvantsystem och klassiska elektriska kretsar med högre dimensionalitet.

"Vi ansluter olika punkter på kortet till en extern strömkälla och studerar systemets svar med hjälp av en multimeter och oscilloskop, " förklarar Nikita Olekhno, Ph.D. student vid ITMO University. "Resultatet beskrivs av klassiska ekvationer som i vårt fall sammanfaller med kvantekvationerna som beskriver tvåfotontillstånd i arrayen av qubits. Samma ekvationer måste ha samma lösningar, och det spelar ingen roll om det är en vågfunktion av en kvantpartikel eller en elektrisk potential."

Självklart, analogin som ITMO-universitetets forskare har kommit fram till kan inte helt ersätta experiment med kvantsystem. Dock, den klassiska strukturen som utvecklades av teamet tillåter forskare att utföra många experiment, tillhandahålla värdefull information för området kvantfotonik. Det faktum att forskarna från St. Petersburg för första gången lyckades hitta en sådan analogi för kvantsystem av många partiklar är mycket lovande.

"Teori ligger alltid före experimentella förmågor. För att ligga i framkant av teorin, vi studerar subtila effekter som vi kommer att kunna upptäcka experimentellt först om flera år, säger Maxim Gorlach, projektledare och seniorforskare vid ITMO University. "Vi genomför för närvarande en serie experiment inom detta område genom att undersöka topologiska kanttillstånd för mer exotiska kvantsystem och utveckla sätt att emulera dem. Sådana experiment är viktiga både för grundläggande fysik och framtida praktiska tillämpningar."