Lomittumisessa voi olla tuhansia topologioita

Topologia on osoittautunut tehokkaaksi työkaluksi monimutkaisten järjestelmien karakterisointiin ja ymmärtämiseen. Uusi kehitysaskel aiheessa on optisten topologioiden havaitseminen kuten kvanttilomittuvissa fotoneissa.

Etelä-Afrikan Witwatersrandin yliopiston tutkijat havaitsivat yhteistyössä kiinalaisen Huzhoun yliopiston kanssa, että useimpien kvanttioptiikan laboratorioiden käyttämä lomittumismekanismi voi sisältää piilotettuja topologioita.

He raportoivat korkeimman koskaan havaitun topologian missään järjestelmässä: 48 ulottuvuutta ja yli 17 000 topologista tunnusmerkkiä, mikä on valtava aakkosto vankan kvantti-informaation koodaamiseen.

Useimmat kvanttioptiikan laboratoriot tuottavat lomittuneita fotoneja spontaanin parametrisen alasmuunnoksen (SPDC) prosessilla, joka luonnollisesti tuottaa lomittumisen "avaruuteen", valon avaruudellisiin vapausasteisiin.

Nyt tiimi on havainnut, että tässä avaruudessa piilee korkeaulotteisten topologioiden maailma, joka tarjoaa uusia paradigmoja informaation koodaamiseen ja kvantti-informaation tekemiseen immuuniksi kohinalle. Topologia osoitettiin käyttämällä valon rataimpulssimomenttia (OAM) kaksiulotteisesta erittäin korkeisiin ulottuvuuksiin.

Nature Communications -lehdessä raportoidussa tutkimuksessa tiimi osoitti, että jos mitataan kahden lomittuneen fotonin OAM, voidaan osoittaa, että sillä on topologia: itse lomittumisen taustalla oleva ominaisuus. Koska OAM voi saada äärettömän määrän mahdollisuuksia, niin voi tehdä myös topologia.

"Raportoimme merkittävästä edistysaskelesta tässä työssä: tarvitsemme vain yhden valon ominaisuuden (OAM) topologian muodostamiseen, kun aiemmin oletettiin, että tarvittaisiin ainakin kaksi ominaisuutta – yleensä OAM ja polarisaatio", sanoo professori Andrew Forbes Witsin fysiikan tiedekunnasta. "Seurauksena on, että koska OAM on moniulotteinen, myös topologia on sitä, ja tämä antaa meille mahdollisuuden raportoida korkeimmat koskaan havaitut topologiat."

Tämän löydön merkittävä etu on, että sen toimimiseen tarvittavat resurssit ovat yhteisiä useimmille kvanttioptiikan laboratorioille, eivätkä ne vaadi erityistä "kvantti-insinööriä".

Huzhoun yliopiston professori Robert de Mello Koch selittää: "Korkeissa ulottuvuuksissa ei ole niin ilmeistä, mistä topologiaa etsiä. Käytimme kvanttikenttäteorian abstrakteja käsitteitä ennustaaksemme, mistä ja mitä etsiä – ja löysimme sen kokeessa."

Orbitaalisen impulssimomentin lomittumista on tutkittu ja käytetty monissa kvanttijärjestelmissä, mutta tähän mennessä se on kärsinyt hauraudesta. Nyt tiimi uskoo, että OAM-lomittumista voidaan tarkastella uudelleen sen taustalla olevan topologian näkökulmasta, mikä avaa uusia mahdollisuuksia sen käytölle todellisissa kvanttijärjestelmissä.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttilomittuminen ja topologia ovat erottamattomia

Tapa suojata kvantti-informaatiota kohinalta

Kvanttivalon muotoilua tulevaisuuden teknologioille