Los gemelos idénticos pueden parecer 'indistinguibles, 'pero en el mundo cuántico la palabra adquiere un nuevo nivel de significado. Si bien los gemelos idénticos comparten muchos rasgos, el universo trata dos partículas cuánticas indistinguibles como intrínsecamente intercambiables. Esto abre la puerta para que partículas indistinguibles interactúen de formas únicas, como en la interferencia cuántica, que son necesarias para las computadoras cuánticas.

Si bien generar una multitud de fotones (partículas de luz) es tan fácil como accionar un interruptor de luz, es más complicado hacer un par de fotones indistinguibles. Y se necesita aún más trabajo para dotar a ese par de un vínculo mecánico cuántico conocido como entrelazamiento. En un artículo publicado el 10 de mayo, 2021 en la revista Fotónica de la naturaleza , Los investigadores de JQI y sus colegas describen una nueva forma de crear partículas gemelas de luz entrelazadas y de ajustar sus propiedades utilizando un método convenientemente alojado en un chip. una bendición potencial para las tecnologías cuánticas que requieren una fuente confiable de pares de fotones bien adaptados.

Los investigadores, dirigido por el compañero de JQI Mohammad Hafezi, diseñó el método para aprovechar las ventajas de la física topológica. La física topológica explora fenómenos físicos previamente inexplorados utilizando el campo matemático de la topología, que describe rasgos comunes compartidos por diferentes formas. (Donde la geometría se refiere a ángulos y tamaños, La topología se trata más de agujeros y perforaciones, características que lo abarcan todo y que no dependen de los detalles locales). Los investigadores han hecho varios descubrimientos importantes al aplicar este enfoque, que describe cómo las partículas cuánticas, como electrones o, en este caso, fotones:pueden moverse en un material o dispositivo en particular mediante el análisis de sus características generales a través de la lente de las características topológicas que corresponden a formas abstractas (como la rosquilla en la imagen de arriba). Los fenómenos topológicos que se han revelado están directamente ligados a la naturaleza general del material; deben existir incluso en presencia de impurezas materiales que alterarían el suave movimiento de fotones o electrones en la mayoría de las demás circunstancias.

Su nuevo método se basa en trabajos anteriores, incluida la generación de una serie de pares de fotones distinguibles. Tanto en los experimentos nuevos como en los antiguos, el equipo creó un tablero de ajedrez de anillos en un chip de silicio. Cada anillo es un resonador que actúa como una pequeña pista de carreras diseñada para mantener ciertos fotones dando vueltas y vueltas durante mucho tiempo. Pero dado que los fotones individuales en un resonador viven según reglas cuánticas, los autos de carrera (fotones) a veces pueden simplemente pasar sin cambios a través de una pared intermedia y avanzar a toda velocidad a lo largo de una pista vecina.

La rejilla repetida de anillos imita la rejilla repetida de átomos a través de la cual viajan los electrones en un sólido, permitiendo a los investigadores diseñar situaciones de luz que reflejen efectos topológicos bien conocidos en la electrónica. Al crear y explorar diferentes entornos topológicos, el equipo ha desarrollado nuevas formas de manipular fotones.

"Son exactamente las mismas matemáticas que se aplican a los electrones y fotones, "dice Sunil Mittal, investigador postdoctoral de JQI y primer autor del artículo. "Entonces obtienes más o menos las mismas características topológicas. Todas las matemáticas que haces con electrones, simplemente puede llevarlo a los sistemas fotónicos ".

En el trabajo actual, recrearon un fenómeno electrónico llamado efecto Hall cuántico anómalo que abre caminos para los electrones en el borde de un material. Estos caminos de borde, que se denominan estados de borde topológicos, existen debido a los efectos topológicos, y pueden transportar electrones de manera confiable mientras dejan rutas a través del interior fácilmente interrumpidas e intransitables. Lograr este efecto topológico particular requiere que los campos magnéticos localizados empujen a los electrones y que el campo magnético total cuando se promedia sobre secciones más grandes del material se cancele a cero.

Pero los fotones carecen de la carga eléctrica que hace que los electrones sean susceptibles a los golpes magnéticos, por lo que el equipo tuvo que recrear el empuje magnético de alguna otra manera. Lograr esto, trazaron las pistas para que sea más fácil para los fotones saltar mecánicamente cuánticamente entre anillos en ciertas direcciones. Esto simula la influencia magnética que falta y crea un entorno con una versión fotónica del efecto Hall cuántico anómalo y sus trayectorias de borde estables.

Para este experimento, El equipo envió dos rayos láser de dos colores (frecuencias) diferentes de luz a este entorno cuidadosamente diseñado. Dentro de un resonador, un fotón de cada uno de los haces se combina espontáneamente. Luego, los investigadores observaron cómo los fotones se reformaron en dos fotones indistinguibles, viajaron a través de las rutas del borde topológico y finalmente fueron expulsados ​​del chip.

Dado que los nuevos fotones se formaron dentro de un anillo resonador, adoptaron los rasgos (polarización y modo espacial) de los fotones que los resonadores están diseñados para sostener. El único rasgo que quedaba por el que el equipo tenía que preocuparse eran sus frecuencias.

Los investigadores hicieron coincidir las frecuencias de los fotones seleccionando las frecuencias de entrada apropiadas para los dos láseres en función de cómo se combinarían dentro de los resonadores de silicio. Con la comprensión teórica adecuada del experimento, pueden producir fotones que son mecánicamente cuánticos indistinguibles.

La naturaleza de la formación de los nuevos fotones proporciona las características cuánticas deseadas. Los fotones están entrelazados mecánicamente cuánticamente debido a la forma en que se generaron como pares; sus propiedades combinadas, como la energía total del par, están limitadas por lo que los fotones originales aportaron a la mezcla, de modo que observar la propiedad de uno revela instantáneamente el hecho equivalente sobre el otro. Hasta que se observen, es decir, detectados por los investigadores, no existen como dos partículas individuales con estados cuánticos distintos para sus frecuencias. Bastante, son mezclas idénticas de posibles estados de frecuencia llamados superposición. Los dos fotones son indistinguibles significa que pueden interferir mecánicamente cuánticamente entre sí.

La combinación resultante de ser indistinguible y entrelazado es esencial para muchos usos potenciales de los fotones en las tecnologías cuánticas. Un efecto secundario afortunado adicional del enfoque topológico del investigador es que les da una mayor capacidad para ajustar las frecuencias de los fotones gemelos en función de las frecuencias que bombean al chip y qué tan bien coinciden las frecuencias con los estados topológicos en el borde del dispositivo.

"Esta no es la única forma de generar pares de fotones entrelazados, hay muchos otros dispositivos, pero no se pueden sintonizar, "Dice Mittal." Una vez que fabrique su dispositivo, es lo que es. Si desea cambiar el ancho de banda de los fotones o hacer algo más, no es posible. Pero en nuestro caso, no tenemos que diseñar un nuevo dispositivo. Demostramos que, simplemente ajustando las frecuencias de la bomba, podríamos ajustar las propiedades de interferencia. Entonces, eso fue muy emocionante ".

La combinación de dispositivos sintonizables y robustos frente a las imperfecciones de fabricación los convierte en una opción atractiva para aplicaciones prácticas, dicen los autores. El equipo planea continuar explorando el potencial de esta técnica y los dispositivos topológicos relacionados y las posibles formas de mejorar aún más los dispositivos, como el uso de otros materiales para fabricarlos.