Uma equipe de pesquisa da ITMO University, com a ajuda de colegas do MIPT (Rússia) e do Politecnico di Torino (Itália), previu um novo tipo de estado quântico topológico de dois fótons. Os cientistas também aplicaram um novo, método experimental acessível para testar esta previsão. O método se baseia em uma analogia:em vez de experimentos caros com sistemas quânticos de dois ou mais fótons emaranhados, os pesquisadores usaram circuitos elétricos ressonantes de dimensionalidade superior descritos por equações semelhantes. Os resultados obtidos podem ser úteis para a engenharia de chips ópticos e computadores quânticos sem a necessidade de experimentos caros. A pesquisa foi publicada em Nature Communications .

A Light desempenha um papel fundamental nas tecnologias de informação modernas:Com a sua ajuda, as informações são transmitidas a grandes distâncias por meio de fibras ópticas. No futuro, os cientistas prevêem a invenção de chips ópticos e computadores que processam informações com a ajuda de fótons - quanta de luz - em vez de elétrons, como é feito hoje. Isso diminuirá o consumo de energia, ao mesmo tempo em que aumenta a capacidade dos computadores. Contudo, para transformar essas previsões em realidade, pesquisa fundamental e aplicada do comportamento da luz em micro e nanoescala é necessária.

No novo estudo, os pesquisadores teoricamente previram a formação de um novo estado quântico de fótons:dois fótons se propagando na matriz de microrressonadores quânticos (qubits) podem formar um par ligado e se estabelecer na borda da matriz. Um experimento adequado exige nanoestruturas especiais, bem como dispositivos especiais para criar esse estado quântico de fótons e detectá-lo. Atualmente, tais recursos estão disponíveis apenas para poucas equipes de pesquisa em todo o mundo.

Se conduzir um experimento preciso for muito caro, pode ser útil criar um modelo, ou uma analogia, o que permitiria testar os pressupostos teóricos sem gastar muitos recursos. Isso é exatamente o que os físicos da ITMO University conseguiram fazer. Eles traçaram uma analogia entre uma classe específica de sistemas quânticos e circuitos elétricos clássicos de dimensionalidade superior.

"Conectamos vários pontos da placa a uma fonte de alimentação externa e estudamos a resposta do sistema usando um multímetro e osciloscópio, "explica Nikita Olekhno, Ph.D. estudante da ITMO University. "O resultado é descrito por equações clássicas que, em nosso caso, coincidem com as equações quânticas que descrevem estados de dois fótons na matriz de qubits. As mesmas equações devem ter as mesmas soluções, e não importa se é uma função de onda de uma partícula quântica ou um potencial elétrico. "

Claro, a analogia que os cientistas da ITMO University fizeram não pode substituir inteiramente os experimentos com sistemas quânticos. Contudo, a estrutura clássica desenvolvida pela equipe permite que os pesquisadores conduzam muitos experimentos, fornecendo informações valiosas para o campo da fotônica quântica. O fato de os cientistas de São Petersburgo terem conseguido encontrar essa analogia para sistemas quânticos de muitas partículas pela primeira vez é muito promissor.

"A teoria está sempre à frente das capacidades experimentais. Para estar na vanguarda da teoria, estudamos efeitos sutis que seremos capazes de detectar experimentalmente apenas em alguns anos, "diz Maxim Gorlach, chefe do projeto e pesquisador sênior da ITMO University. "No momento, estamos conduzindo uma série de experimentos neste campo, pesquisando estados de borda topológicos de sistemas quânticos mais exóticos e desenvolvendo formas de sua emulação. Esses experimentos são importantes tanto para a física fundamental quanto para futuras aplicações práticas."