Gêmeos idênticos podem parecer 'indistinguíveis, 'mas no mundo quântico a palavra assume um novo nível de significado. Embora gêmeos idênticos compartilhem muitas características, o universo trata duas partículas quânticas indistinguíveis como intrinsecamente intercambiáveis. Isso abre a porta para que partículas indistinguíveis interajam de maneiras únicas - como na interferência quântica - que são necessárias para os computadores quânticos.

Embora a geração de uma multidão de fótons - partículas de luz - seja tão fácil quanto acionar um interruptor de luz, é mais complicado fazer um par de fótons indistinguíveis. E é preciso ainda mais trabalho para dotar esse par de uma ligação mecânica quântica conhecida como emaranhamento. Em um artigo publicado em 10 de maio, 2021 no jornal Nature Photonics , Os pesquisadores da JQI e seus colegas descrevem uma nova maneira de fazer partículas gêmeas emaranhadas de luz e ajustar suas propriedades usando um método convenientemente alojado em um chip, um benefício potencial para tecnologias quânticas que requerem uma fonte confiável de pares de fótons bem ajustados.

Os pesquisadores, liderado pelo companheiro JQI Mohammad Hafezi, projetou o método para aproveitar as vantagens da física topológica. A física topológica explora fenômenos físicos anteriormente inexplorados usando o campo matemático da topologia, que descreve traços comuns compartilhados por diferentes formas. (Onde a geometria diz respeito a ângulos e tamanhos, topologia é mais sobre furos e perfurações - características abrangentes que não dependem de detalhes locais.) Os pesquisadores fizeram várias descobertas importantes ao aplicar esta abordagem, que descreve como as partículas quânticas - como elétrons ou, nesse caso, fótons - podem se mover em um determinado material ou dispositivo analisando suas características gerais através da lente de recursos topológicos que correspondem a formas abstratas (como o donut na imagem acima). Os fenômenos topológicos que foram revelados estão diretamente ligados à natureza geral do material; eles devem existir mesmo na presença de impurezas materiais que perturbariam o movimento suave dos fótons ou elétrons na maioria das outras circunstâncias.

Seu novo método se baseia em trabalhos anteriores, incluindo a geração de uma série de pares de fótons distinguíveis. Em experimentos novos e antigos, a equipe criou um tabuleiro de xadrez de anéis em um chip de silício. Cada anel é um ressonador que atua como uma minúscula pista de corrida projetada para manter certos fótons girando e girando por um longo tempo. Mas, uma vez que os fótons individuais em um ressonador vivem de acordo com as regras quânticas, os carros de corrida (fótons) às vezes podem simplesmente passar inalterados por uma parede intermediária e continuar a acelerar ao longo de uma pista vizinha.

A grade repetitiva de anéis imita a grade repetitiva de átomos pelos quais os elétrons viajam em um sólido, permitindo aos pesquisadores projetar situações para a luz que refletem efeitos topológicos bem conhecidos na eletrônica. Ao criar e explorar diferentes ambientes topológicos, a equipe desenvolveu novas maneiras de manipular fótons.

"É exatamente a mesma matemática que se aplica a elétrons e fótons, "diz Sunil Mittal, um pesquisador de pós-doutorado JQI e o primeiro autor do artigo. "Assim, você obtém mais ou menos todas as mesmas características topológicas. Toda a matemática que você faz com os elétrons, você pode simplesmente transportar para sistemas fotônicos. "

No trabalho atual, eles recriaram um fenômeno eletrônico chamado de efeito Hall quântico anômalo, que abre caminhos para elétrons na borda de um material. Esses caminhos de borda, que são chamados de estados de borda topológicos, existem por causa dos efeitos topológicos, e podem transportar elétrons de maneira confiável, deixando rotas pelo interior facilmente interrompidas e intransitáveis. Alcançar este efeito topológico particular requer que os campos magnéticos localizados empurrem os elétrons e que o campo magnético total, quando calculado em seções maiores do material, cancele a zero.

Mas os fótons não têm a carga elétrica que torna os elétrons suscetíveis a choques magnéticos, então a equipe teve que recriar o impulso magnético de alguma outra maneira. Para alcançar isto, eles traçaram as trilhas de modo que seja mais fácil para os fótons pularem mecanicamente entre os anéis em certas direções. Isso simula a influência magnética ausente e cria um ambiente com uma versão fotônica do efeito Hall quântico anômalo e seus caminhos de borda estáveis.

Para este experimento, a equipe enviou dois feixes de laser de duas cores (frequências) diferentes de luz para este ambiente cuidadosamente projetado. Dentro de um ressonador, um fóton de cada um dos feixes se combina espontaneamente. Os pesquisadores então observaram como os fótons se reformaram em dois fótons indistinguíveis, viajou pelos caminhos topológicos das bordas e acabou sendo ejetado do chip.

Uma vez que os novos fótons se formaram dentro de um anel ressonador, eles assumiram as características (polarização e modo espacial) dos fótons que os ressonadores foram projetados para conter. A única característica restante com a qual a equipe precisava se preocupar eram as frequências.

Os pesquisadores combinaram as frequências dos fótons selecionando as frequências de entrada apropriadas para os dois lasers com base em como eles se combinariam dentro dos ressonadores de silício. Com a compreensão teórica apropriada do experimento, eles podem produzir fótons que são indistinguíveis mecanicamente.

A natureza da formação dos novos fótons fornece as características quânticas desejadas. Os fótons são mecanicamente emaranhados quânticos devido à maneira como foram gerados como pares; suas propriedades combinadas - como a energia total do par - são restringidas pelo que os fótons originais trouxeram para a mistura, portanto, observar a propriedade de um revela instantaneamente o fato equivalente sobre o outro. Até que sejam observados, isto é, detectados pelos pesquisadores - eles não existem como duas partículas individuais com estados quânticos distintos para suas frequências. Em vez, eles são misturas idênticas de possíveis estados de frequência chamados de superposição. Os dois fótons sendo indistinguíveis significa que eles podem interferir mecanicamente um com o outro.

A combinação resultante de ser indistinguível e emaranhado é essencial para muitos usos potenciais de fótons em tecnologias quânticas. Um efeito colateral de sorte adicional da abordagem topológica do pesquisador é que ela dá a eles uma maior capacidade de ajustar as frequências dos fótons gêmeos com base nas frequências que eles bombeiam para o chip e quão bem as frequências correspondem aos estados topológicos na borda do dispositivo.

"Esta não é a única maneira de gerar pares de fótons emaranhados - existem muitos outros dispositivos - mas eles não são sintonizáveis, "Mittal diz." Então, uma vez que você fabrica seu dispositivo, é o que é. Se você quiser mudar a largura de banda dos fótons ou fazer outra coisa, não é possível. Mas no nosso caso, não precisamos projetar um novo dispositivo. Nós mostramos isso, apenas ajustando as frequências da bomba, poderíamos ajustar as propriedades de interferência. Então, isso foi muito emocionante. "

A combinação dos dispositivos sendo ajustáveis ​​e robustos contra imperfeições de fabricação os tornam uma opção atraente para aplicações práticas, dizem os autores. A equipe planeja continuar explorando o potencial desta técnica e dispositivos topológicos relacionados e possíveis maneiras de melhorar ainda mais os dispositivos, como o uso de outros materiais para fazê-los.