p Em um esforço conjunto, pesquisadores da Humboldt-Universität (Berlim), o Max Born Institute (Berlin) e a University of Central Florida (EUA) revelaram as condições necessárias para o transporte robusto de estados emaranhados de luz de dois fótons em isoladores topológicos fotônicos, pavimentando o caminho para o transporte de informações quânticas à prova de ruído. Os resultados apareceram em Nature Communications. p Descoberto originalmente em sistemas de matéria condensada, Os isoladores topológicos são materiais bidimensionais que suportam o transporte livre de espalhamento (unidirecional) ao longo de suas bordas, mesmo na presença de defeitos e desordem. Em essência, isoladores topológicos são sistemas de rede finita onde, dado um término adequado da rede infinita subjacente, estados de borda são formados que se encontram em uma lacuna de energia bem definida associada aos estados de massa, ou seja, esses estados de borda são energeticamente separados dos estados de massa (Fig. 1).

p Mais importante, estados de borda de partícula única em tais sistemas são topologicamente protegidos de espalhamento:Eles não podem se espalhar devido à sua energia situada na lacuna, e eles não podem se espalhar para trás porque os estados de borda de propagação para trás estão ausentes ou não acoplados aos estados de borda de propagação para frente.

p A viabilidade de construir hamiltonianos complexos usando redes fotônicas integradas combinadas com a disponibilidade de fótons emaranhados aumenta a intrigante possibilidade de empregar estados emaranhados protegidos topologicamente em computação quântica óptica e processamento de informação (Science 362, 568, (2018), Optica 6, 955 (2019)).

p Alcançar este objetivo, Contudo, é altamente não trivial, já que a proteção topológica não se estende diretamente ao espalhamento de múltiplas partículas (retrógrado). Inicialmente, este fato parece ser contra-intuitivo porque, individualmente, cada partícula é protegida pela topologia, enquanto em conjunto, partículas emaranhadas (correlacionadas) tornam-se altamente suscetíveis a perturbações da rede ideal. O princípio físico subjacente por trás dessa aparente discrepância é que, quântica mecanicamente, partículas idênticas são descritas por estados que satisfazem um princípio de simetria de troca.

p Em seu trabalho, os pesquisadores fazem vários avanços fundamentais para compreender e controlar a proteção topológica no contexto de estados multipartículas:

• Primeiro, eles identificam mecanismos físicos que induzem uma vulnerabilidade de estados emaranhados em redes fotônicas topológicas e apresentam diretrizes claras para maximizar o emaranhamento sem sacrificar a proteção topológica.
• Segundo, eles estabelecem e demonstram um comportamento semelhante ao limiar de vulnerabilidade de emaranhamento e identificam condições para proteção robusta de estados de dois fótons altamente emaranhados.

p Para ser mais preciso, eles exploram o impacto da desordem em uma gama de estados de dois fótons que se estendem dos limites totalmente correlacionados aos totalmente anticorrelacionados, assim, também cobrindo um estado completamente separável. Para sua análise, eles consideram duas redes topológicas, um periódico e um aperiódico. No caso periódico, eles consideram o modelo Haldane, e para o caso aperiódico, uma estrutura quadrada, cuja dinâmica de partícula única corresponde ao efeito Hall quântico, é estudado.

p Os resultados oferecem um roteiro claro para a geração de pacotes de ondas robustos sob medida para o distúrbio específico em questão. Especificamente, eles estabelecem limites na estabilidade de estados emaranhados até graus relativamente altos de emaranhamento que oferecem diretrizes práticas para gerar estados emaranhados úteis em sistemas fotônicos topológicos. Avançar, esses achados demonstram que, a fim de maximizar o emaranhamento sem sacrificar a proteção topológica, o mapa de correlação espectral conjunto de estados de dois fótons deve caber dentro de uma janela topológica de proteção bem definida. (Figura 2).