В рамках исследования, проведенного учеными Университета Витватерсранда и Университета Хучжоу, был обнаружен новый тип многомерной структуры в запутанных фотонах, генерируемых стандартными методами квантовой оптики. Эта структура демонстрирует 48 измерений и более 17 000 топологических принципов, что открывает значительный потенциал для кодирования квантовой информации.
Обнаруженная скрытая топология в пространственных свойствах запутанного света может стать основой для разработки принципиально новых методов хранения и защиты квантовых данных. Устойчивость таких топологических структур способна повысить надежность будущих квантовых систем и коммуникационных протоколов.
Основной вывод исследования заключается в том, что стандартный процесс генерации запутанных фотонов содержит сложную многомерную топологическую структуру. Ее использование может привести к созданию более емких и защищенных способов кодирования квантовой информации, что представляет значительный интерес для развития квантовых технологий.
Ученые из Университета Витватерсранда в Южной Африке в сотрудничестве с коллегами из Университета Хучжоу выявили необычную структуру в одном из широко применяемых методов квантовой оптики. Исследование показало, что стандартные процедуры генерации запутанных фотонов способны сохранять ранее неизвестные топологические структуры. В экспериментальных условиях данная структура достигла рекордных 48 измерений и включила более 17 000 различных топологических принципов, формируя таким образом обширный новый алфавит для кодирования стабильной квантовой информации.
В большинстве лабораторий квантовой оптики сложные фотоны создаются с использованием метода, называемого спонтанным параметрическим преобразованием с понижением частоты. Этот процесс приводит к возникновению запутанности пространственных свойств света. Исследователи установили, что внутри данной пространственной структуры существует скрытая область многомерных топологий. Эти сложные правила могут обеспечить новые подходы к хранению и защите информации, способствуя созданию более устойчивых квантовых систем. к шуму.
Команда продемонстрировала этот эффект, используя орбитальный угловой момент (ОУМ) света, который может охватывать как простые двумерные случаи, так и чрезвычайно большие измерения. Эта гибкость позволяет создавать гораздо более богатые структуры, чем считались ранее.
Топология, возникающая из одного свойства
Результаты, опубликованные в Nature Communications показывает, что измерение ОУМ двух запутанных фотонов выявляет внутреннюю топологию, фундаментальную формулировку самой запутанности. поскольку OAM может принимать измерения неограниченного диапазона, связанные с ним, топология также может распространяться на очень большие измерения.
«Мы сообщаем о большом прогрессе в этой работе: нам нужно только одно свойство создания света (ОАМ) для топологии, тогда как ранее предполагалось, что потребуются как минимум два свойства — обычно ОАМ и поляризация», — сказал он. — говорит профессор Эндрю Форбс из Школы физики Витса. «Следствием этого является то, что, поскольку OAM является многомерным, топология тоже многомерна, и это позволяет нам сообщить о самых высоких топологиях, когда-либо наблюдавшихся».
Исследователи также обнаружили, что, поскольку топология рассчитана только на два измерения, ее больше нельзя описывать одним числом. Вместо этого требуется ряд топологических измерений, отражающих гораздо более богатую и сложную структуру, чем стандартные оптические системы.
Открытие, скрывающееся на виду
Одним из наиболее примечательных аспектов этого прорыва является то, что он сейчас доступен. Требуемые ресурсы уже имеются в большинстве лабораторий квантовой оптики, а это означает отсутствие специального оборудования или «квантовой инженерии»; необходимо, чтобы воспользоваться эффектом.
Педро Орнелас сказала: «Вы продолжаете топологию бесплатно из-за запутанности в космосе». Оно всегда было там, его просто нужно было найти».
На основе теории, подтвержденной экспериментом
По словам ведущего автора, профессора Роберты де Мелло Коха из Университета Хучжоу, определение этой структуры было основой. «В больших размерах не так очевидно, где искать топологию. Мы использовали абстрактные понятия квантовой теории полей, чтобы предсказать, куда и что искать — и нашли это в эксперименте!»
На пути к более надежным квантовым технологиям
Хотя запутывание орбитального углового момента широко исследовалось, его часто считали хрупким. Теперь исследователи предполагают, что лечение этого явления через призму топологии может изменить эту точку зрения. Используя эти недавно открытые структуры, ученые смогут создать более надежные квантовые системы, открывающие двери для практических приложений.