För första gången har forskare visat den anmärkningsvärda förmågan att störa par av rumsligt separerade men ändå sammanlänkade kvantintrasslade partiklar utan att ändra deras gemensamma egenskaper.
I teamet ingår forskare från Structured Light Laboratory (School of Physics) vid University of the Witwatersrand i Sydafrika, ledd av professor Andrew Forbes, i samarbete med strängteoretikern Robert de Mello Koch från Huzhou University i Kina (tidigare från Wits University) .
"Vi uppnådde denna experimentella milstolpe genom att trassla in två identiska fotoner och anpassa deras delade vågfunktion på ett sådant sätt att deras topologi eller struktur blir uppenbar endast när fotonerna behandlas som en enhetlig enhet", förklarar huvudförfattaren Pedro Ornelas, en MSc. student i det strukturerade ljuslaboratoriet.
Denna koppling mellan fotonerna etablerades genom kvantintrassling, ofta kallad "spöklik verkan på avstånd", vilket gör det möjligt för partiklar att påverka varandras mätresultat även när de är åtskilda av betydande avstånd. Forskningen publicerades i Nature Photonics den 8 januari 2024.
Topologins roll och dess förmåga att bevara egenskaper, i detta arbete, kan liknas vid hur en kaffemugg kan omformas till formen av en munk; trots förändringarna i utseende och form under omvandlingen förblir ett singulärt hål - en topologisk egenskap - konstant och oförändrad. På så sätt är de två objekten topologiskt ekvivalenta. "Intrasslingen mellan våra fotoner är formbar, som lera i en krukmakares händer, men under gjutningsprocessen behålls vissa egenskaper", förklarar Forbes.
Typen av topologin som undersöks här, kallad Skyrmion-topologi, utforskades ursprungligen av Tony Skyrme på 1980-talet som fältkonfigurationer som uppvisade partikelliknande egenskaper. I detta sammanhang avser topologi en global egenskap hos fälten, besläktad med ett tygstycke (vågfunktionen) vars textur (topologin) förblir oförändrad oavsett i vilken riktning den trycks.
Dessa koncept har sedan dess realiserats i moderna magnetiska material, flytande kristaller och till och med som optiska analoger med klassiska laserstrålar. Inom den kondenserade materiens fysik är skyrmioner högt ansedda för sin stabilitet och brusbeständighet, vilket leder till banbrytande framsteg inom datalagringsenheter med hög densitet. "Vi strävar efter att se en liknande transformativ effekt med våra kvantintrasslade skyrmioner", säger Forbes.
Tidigare forskning skildrade dessa Skyrmions som lokaliserade på en enda plats. "Vårt arbete presenterar ett paradigmskifte:topologin som traditionellt har ansetts existera i en enda och lokal konfiguration är nu icke-lokal eller delad mellan rumsligt åtskilda enheter", säger Ornelas.
Utvidgar detta koncept, forskarna använder topologi som ett ramverk för att klassificera eller särskilja intrasslade tillstånd. De föreställer sig att "detta nya perspektiv kan fungera som ett märkningssystem för intrasslade tillstånd, besläktat med ett alfabet", säger Dr. Isaac Nape, en medutredare.
"I likhet med hur sfärer, munkar och handbojor kännetecknas av antalet hål de innehåller, kan våra kvantskyrmioner särskiljas av sina topologiska aspekter på samma sätt", säger Nape. Teamet hoppas att detta kan bli ett kraftfullt verktyg som banar väg för nya kvantkommunikationsprotokoll som använder topologi som ett alfabet för kvantinformationsbehandling över förtrasslingsbaserade kanaler.
Fynden som rapporteras i artikeln är avgörande eftersom forskare har brottats i decennier med att utveckla tekniker för att bevara intrasslade tillstånd. Det faktum att topologin förblir intakt även när intrassling avbryts tyder på en potentiellt ny kodningsmekanism som använder entanglement, även i scenarier med minimal intrassling där traditionella kodningsprotokoll skulle misslyckas.
"Vi kommer att fokusera våra forskningsansträngningar på att definiera dessa nya protokoll och utöka landskapet av topologiska icke-lokala kvanttillstånd", säger Forbes.
Mer information: Pedro Ornelas et al, Icke-lokala skyrmioner som topologiskt fjädrande kvantintrasslade tillstånd av ljus, Naturfotonik (2024). DOI:10.1038/s41566-023-01360-4
Journalinformation: Naturfotonik
Tillhandahålls av Wits University
