Un equipo de investigación de la Universidad ITMO, con la ayuda de colegas de MIPT (Rusia) y Politecnico di Torino (Italia), ha predicho un nuevo tipo de estado cuántico topológico de dos fotones. Los científicos también han aplicado un nuevo método experimental asequible para probar esta predicción. El método se basa en una analogía:en lugar de costosos experimentos con sistemas cuánticos de dos o más fotones entrelazados, los investigadores han utilizado circuitos eléctricos resonantes de mayor dimensionalidad descritos por ecuaciones similares. Los resultados obtenidos pueden ser útiles para la ingeniería de chips ópticos y computadoras cuánticas sin la necesidad de costosos experimentos. La investigación fue publicada en Comunicaciones de la naturaleza .

La luz juega un papel clave en las tecnologías de la información modernas:con su ayuda, la información se transmite a grandes distancias a través de fibras ópticas. En el futuro, Los científicos anticipan la invención de chips ópticos y computadoras que procesan información con la ayuda de fotones (cuantos de luz) en lugar de electrones. como se hace hoy. Esto disminuirá el consumo de energía, al mismo tiempo que aumentan las capacidades de las computadoras. Sin embargo, para convertir estas predicciones en realidad, Se necesita una investigación fundamental y aplicada del comportamiento de la luz a micro y nanoescala.

En el nuevo estudio, los investigadores han predicho teóricamente la formación de un nuevo estado cuántico de fotones:dos fotones que se propagan en la matriz de microrresonadores cuánticos (qubits) pueden formar un par unido y asentarse en el borde de la matriz. Un experimento adecuado exige nanoestructuras especiales, así como dispositivos especiales para crear ese estado cuántico de fotones y detectarlo. En la actualidad, estas capacidades están disponibles solo para muy pocos equipos de investigación en todo el mundo.

Si realizar un experimento preciso es demasiado caro, puede resultar útil crear un modelo, o una analogía, lo que permitiría probar los supuestos teóricos sin gastar demasiados recursos. Esto es exactamente lo que lograron hacer los físicos de la Universidad ITMO. Han elaborado una analogía entre una clase específica de sistemas cuánticos y los circuitos eléctricos clásicos de mayor dimensionalidad.

"Conectamos varios puntos de la placa a una fuente de alimentación externa y estudiamos la respuesta del sistema utilizando un multímetro y un osciloscopio, "explica Nikita Olekhno, Doctor. estudiante de la Universidad ITMO. "El resultado se describe mediante ecuaciones clásicas que en nuestro caso coinciden con las ecuaciones cuánticas que describen estados de dos fotones en la matriz de qubits. Las mismas ecuaciones deben tener las mismas soluciones, y no importa si es una función de onda de una partícula cuántica o un potencial eléctrico ".

Por supuesto, la analogía que han ideado los científicos de la Universidad ITMO no puede reemplazar por completo los experimentos con sistemas cuánticos. Sin embargo, la estructura clásica que fue desarrollada por el equipo permite a los investigadores realizar muchos experimentos, proporcionando información valiosa para el campo de la fotónica cuántica. El hecho de que los científicos de San Petersburgo hayan logrado encontrar una analogía de este tipo para los sistemas cuánticos de muchas partículas por primera vez es muy prometedor.

"La teoría siempre está por delante de las capacidades experimentales. Para estar a la vanguardia de la teoría, estudiamos efectos sutiles que podremos detectar experimentalmente solo en varios años, "dice Maxim Gorlach, jefe del proyecto e investigador senior de la Universidad ITMO. "Actualmente estamos llevando a cabo una serie de experimentos en este campo investigando estados de borde topológicos de sistemas cuánticos más exóticos y desarrollando formas de su emulación. Tales experimentos son importantes tanto para la física fundamental como para futuras aplicaciones prácticas".