Identiska tvillingar kan verka 'oskiljbara, 'men i kvantvärlden får ordet en ny betydelse. Även om enäggstvillingar delar många drag, universum behandlar två oskiljbara kvantpartiklar som utbytbara i sig. Detta öppnar dörren för oskiljbara partiklar att interagera på unika sätt - till exempel i kvantinterferens - som behövs för kvantdatorer.

Medan det är lika enkelt att generera en mängd foton - ljuspartiklar - som att vända en ljusströmbrytare, det är svårare att göra ett par oskiljbara fotoner. Och det krävs ännu mer arbete för att förse det paret med en kvantmekanisk länk som kallas förträngning. I en artikel publicerad 10 maj, 2021 i tidningen Nature Photonics , JQI -forskare och deras kollegor beskriver ett nytt sätt att göra intrasslade tvillingpartiklar av ljus och justera deras egenskaper med hjälp av en metod som är bekvämt inrymd på ett chip, en potentiell välsignelse för kvantteknik som kräver en pålitlig källa till väl skräddarsydda fotonpar.

Forskarna, ledd av JQI -kollegan Mohammad Hafezi, utformat metoden för att utnyttja fördelarna med topologisk fysik. Topologisk fysik utforskar tidigare outnyttjade fysiska fenomen med hjälp av det matematiska området topologi, som beskriver vanliga drag som delas av olika former. (När geometri gäller vinklar och storlekar, topologi handlar mer om hål och punkteringar-alltomfattande egenskaper som inte beror på lokala detaljer.) Forskare har gjort flera stora upptäckter genom att tillämpa detta tillvägagångssätt, som beskriver hur kvantpartiklar - som elektroner eller, I detta fall, fotoner - kan röra sig i ett visst material eller en anordning genom att analysera dess breda egenskaper genom linsen av topologiska särdrag som motsvarar abstrakta former (som munken i bilden ovan). De topologiska fenomen som har avslöjats är direkt knutna till materialets allmänna natur; de måste existera även i närvaro av materiella föroreningar som skulle rubba den smidiga rörelsen för fotoner eller elektroner under de flesta andra omständigheter.

Deras nya metod bygger på tidigare arbete, inklusive generering av en serie urskiljbara fotonpar. I både nya och gamla experiment, laget skapade en schack med ringar på ett kiselchip. Varje ring är en resonator som fungerar som en liten racerbana som är utformad för att hålla vissa fotoner att resa runt och runt under lång tid. Men eftersom enskilda fotoner i en resonator lever efter kvantregler, tävlingsbilarna (fotoner) kan ibland bara passera oförändrade genom en mellanliggande vägg och fortsätta att rusa längs en grannbana.

Det upprepande rutnätet av ringar efterliknar det upprepande rutnätet av atomer som elektroner färdas genom i ett fast ämne, låta forskarna utforma situationer för ljus som speglar välkända topologiska effekter inom elektronik. Genom att skapa och utforska olika topologiska miljöer, laget har utvecklat nya sätt att manipulera fotoner.

"Det är exakt samma matematik som gäller elektroner och fotoner, "säger Sunil Mittal, en JQI -postdoktor och forskarens första författare. "Så du får mer eller mindre samma topologiska drag. All matematik som du gör med elektroner, du kan helt enkelt överföra till fotoniska system. "

I det pågående arbetet, de återskapade ett elektroniskt fenomen som kallas den avvikande kvant Hall -effekten som öppnar vägar för elektroner på kanten av ett material. Dessa kantvägar, som kallas topologiska kanttillstånd, existera på grund av topologiska effekter, och de kan på ett tillförlitligt sätt transportera elektroner samtidigt som de lämnar rutter genom inredningen lätt störda och oförkomliga. För att uppnå denna speciella topologiska effekt krävs att lokaliserade magnetfält trycker på elektroner och att det totala magnetfältet när medelvärdet över större delar av materialet upphävs till noll.

Men fotoner saknar den elektriska laddningen som gör elektroner mottagliga för magnetiska skott, så laget var tvungen att återskapa den magnetiska pushen på något annat sätt. För att uppnå detta, de lade ut spåren så att det är lättare för fotonerna att mekaniskt hoppa mekaniskt mellan ringar i vissa riktningar. Detta simulerar det saknade magnetiska inflytandet och skapar en miljö med en fotonisk version av den avvikande kvante Hall -effekten och dess stabila kantvägar.

För detta experiment, laget skickade två laserstrålar med två olika färger (frekvenser) av ljus in i denna noggrant utformade miljö. Inuti en resonator, en foton från var och en av strålarna kombineras spontant. Forskarna observerade sedan hur fotonerna reformerades till två oskiljbara fotoner, reste genom de topologiska kantbanorna och kastades så småningom ut från chipet.

Eftersom de nya fotonerna bildades inuti en resonatorring, de antog egenskaperna (polarisering och rumsligt läge) hos fotonerna som resonatorerna är utformade för att hålla. Det enda drag som laget behövde oroa sig för var deras frekvenser.

Forskarna matchade fotonernas frekvenser genom att välja lämpliga ingångsfrekvenser för de två lasrarna baserat på hur de skulle kombinera inuti kiselresonatorerna. Med lämplig teoretisk förståelse av experimentet, de kan producera fotoner som är kvantemekaniskt oskiljbara.

Typen av bildandet av de nya fotonerna ger de önskade kvantegenskaperna. Fotonerna sammanfiltras mekaniskt på grund av hur de genererades som par; deras kombinerade egenskaper - liksom parets totala energi - begränsas av vad de ursprungliga fotonerna förde in i blandningen, så att observera egendomen för den ena avslöjar omedelbart motsvarande fakta om den andra. Tills de observeras - det vill säga upptäckt av forskarna - de existerar inte som två individuella partiklar med olika kvanttillstånd för deras frekvenser. Snarare, de är identiska blandningar av möjliga frekvenstillstånd som kallas en superposition. De två fotonerna som inte går att skilja betyder att de kan kvantemekaniskt störa varandra

Den resulterande kombinationen av att vara oskiljbar och intrasslad är avgörande för många potentiella användningar av fotoner i kvantteknik. En ytterligare lycklig bieffekt av forskarens topologiska tillvägagångssätt är att det ger dem en större förmåga att justera tvillingfotonernas frekvenser baserat på de frekvenser de pumpar in i chipet och hur väl frekvenserna matchar de topologiska tillstånden på kanten av enhet.

"Detta är inte det enda sättet att generera intrasslade fotonpar - det finns många andra enheter - men de kan inte ställas in, "Säger Mittal." Så när du tillverkat din enhet, det är vad det är. Om du vill ändra fotbredden för fotonerna eller göra något annat, det är inte möjligt. Men i vårt fall, vi behöver inte designa en ny enhet. Vi visade att bara genom att ställa in pumpfrekvenserna, vi kan justera störningsegenskaperna. Så, det var väldigt spännande. "

Kombinationen av enheterna som är avstämbara och robusta mot tillverkningsfel gör dem till ett tilltalande alternativ för praktiska tillämpningar, säger författarna. Teamet planerar att fortsätta undersöka potentialen i denna teknik och relaterade topologiska enheter och möjliga sätt att ytterligare förbättra enheterna, till exempel att använda andra material för att göra dem.