Квантові комп’ютери могли б стати значно потужнішими, якби їх вдалося об’єднати в мережі, що обмінюються інформацією за допомогою частинок світла. Але є серйозна перешкода: квантові зв’язки між фотонами надзвичайно крихкі, і навіть незначні збурення руйнують заплутаність, зупиняючи обмін даними.
У новій роботі дослідники з Університету Пенсильванії показали незвичний спосіб зберегти одну з властивостей квантового світла навіть після того, як заплутаність зникає. Використовуючи математичну концепцію топології, вони передали характерний візерунок між фотонами і виявили, що цей візерунок залишається майже незмінним, хоча квантовий зв’язок між частинками вже зруйновано. Про це йдеться в матеріалі Interesting Engineering.
Квантовий скірміон як візерунок, що не зникає
Ключем до експерименту стала структура, яку фізики називають квантовим скірміоном. Це не звичайний об’єкт із певною формою, а радше візерунок, що поєднує дві властивості світла: спін (пов’язаний із поляризацією) та орбітальний кутовий момент, який описує, як закручується хвильовий фронт.
У такому світлі напрямок коливань (поляризація) змінюється залежно від того, в якій точці пучка його вимірювати. Це нагадує ділянки волосся на голові, де пасма ростуть у різні боки. Разом ці варіації утворюють візерунок, що «накриває» всі можливі стани поляризації певну фіксовану кількість разів.
Математики описують цю властивість за допомогою топологічного числа. Важливо, що локальні порушення візерунка не обов’язково змінюють це число. Як із «завихренням» у волоссі: окремі волосини можна зрушити, але загальний вихор залишиться тим самим.
Команда вирішила перевірити, чи може така топологічна стійкість допомогти квантовій інформації пережити збурення. Для цього потрібно було навчитися створювати й переносити ці візерунки за допомогою фотонів.
Мініатюрний «завод» квантового світла на чипі
Дослідники розробили інтегрований фотонний чип із нітриду кремнію — матеріалу, який широко застосовують у фотоніці. Його елементи були спроєктовані так, щоб генерувати заплутані фотони, спрямовувати їх різними шляхами та «надруковувати» на одному з них скірміонний візерунок.
Процес починався з фемтосекундного лазерного імпульсу, який вводили у дві спіральні хвилеводи на чипі. Через процес, відомий як спонтанне чотирихвильове змішування, там виникали пари фотонів, що опинялися у стані квантової заплутаності — їхні стани ставали пов’язаними, навіть коли фотони розділяли.
Масив мініатюрних інтерферометрів розподіляв фотони по різних ділянках чипа. Один із фотонів потрапляв до спеціально спроєктованих мікрокільцевих резонаторів. Структури на їхніх внутрішніх і зовнішніх краях формували різні компоненти поляризації та орбітального кутового моменту. Комбінуючи ці компоненти, дослідники отримували потрібний скірміонний візерунок.
Потім вони виконували так зване вимірювання Белла — одночасне вимірювання поляризації та кутового моменту першого фотона. Це дозволяло перенести закодований у ньому топологічний візерунок у спільний квантовий стан обох фотонів.
Отримані стани перевіряли за допомогою квантової томографії стану — методу, який відновлює квантову систему з набору вимірювань. Початковий скірміон на одному фотоні мав виміряне топологічне число 1,981, дуже близьке до теоретичного значення 2. Перенесені двофотонні стани показали подібно високі значення, а середня квантова вірність становила близько 89 %, що відображає, наскільки добре експериментальний стан відповідав запланованому.
На вдосконалення технології створення такого чипа пішло майже п’ять років, протягом яких команда виготовляла прототипи в нанотехнологічному центрі Університету Пенсильванії.
Коли заплутаність зникає, а візерунок лишається
Після того як система запрацювала, дослідники навмисно додали до фотонів шум — зокрема небажане фонове світло, — щоб перевірити, наскільки добре перенесений візерунок витримає завади. У міру посилення збурень квантовий стан поступово руйнувався, і заплутаність між фотонами зрештою зникала.
Однак топологічне число скірміона залишалося майже незмінним. Візерунок руйнувався лише тоді, коли дослідники вводили ще сильніші перешкоди. Це виявилося несподіванкою, адже попередні роботи натякали, що такі структури залежать від наявності заплутаності. Нові результати показують, що зв’язок між ними складніший, ніж вважали раніше.
Команда також виявила сліди залишкових кореляцій за допомогою величини, відомої як квантовий дискорд. На відміну від заплутаності, квантовий дискорд описує певні квантові кореляції, які можуть зберігатися навіть тоді, коли частинки вже не заплутані. Його стійкість у цьому експерименті натякає, що топологія може бути пов’язана з ширшим спектром квантових взаємозв’язків, ніж вважалося раніше.
Що це означає для квантових мереж
Відкриття може в перспективі допомогти захищати квантову інформацію від шуму в майбутніх квантових мережах, використовуючи топологічні властивості світла як додатковий «запас міцності». Водночас автори наголошують, що їхній експеримент поки що не демонструє практичну систему зв’язку, яка працювала б без заплутаності.
Робота є фундаментальним кроком до розуміння того, як топологія й різні типи квантових кореляцій можуть поєднуватися, щоб зробити квантові технології стійкішими до неминучих збурень у реальному світі. Результати опубліковано в журналі Nature Physics.