Учёные из Университета Витватерсранда в Южной Африке в сотрудничестве с Хучжоуским университетом обнаружили, что рабочая лошадка квантовой оптики большинства лабораторий может иметь скрытые топологии. Они зафиксировали рекордное количество топологических характеристик — 48 измерений с более чем 17 000 топологическими сигнатурами, что представляет собой огромный алфавит для кодирования устойчивой квантовой информации.
Большинство лабораторий квантовой оптики получают запутанные фотоны с помощью процесса спонтанного параметрического рассеяния света (СПРС), который естественным образом создаёт запутывание в «пространстве», пространственных степенях свободы света. Теперь команда обнаружила, что в этом пространстве скрыта целая вселенная высокоразмерных топологий, предлагающих новые парадигмы для кодирования информации и защиты квантовой информации от шума. Топология была показана с использованием орбитального углового момента (ОУМ) света, от двухмерного до очень высоких измерений.
В статье, опубликованной в Nature Communications, команда показала, что если измерить ОУМ двух запутанных фотонов, то можно продемонстрировать наличие топологии: основополагающей особенности самого запутывания. Поскольку ОУМ может принимать бесконечное количество значений, то и топология может быть бесконечной, что позволяет фиксировать топологии более высоких порядков, чем когда-либо наблюдалось ранее.
Профессор Эндрю Форбс из Школы физики Витса говорит: «Мы сообщаем о крупном достижении в этой работе: нам нужно только одно свойство света (ОУМ) для создания топологии, тогда как ранее предполагалось, что потребуется как минимум два свойства — обычно ОУМ и поляризация. Следствием этого является то, что, поскольку ОУМ является многомерным, то и топология также многомерна, и это позволяет нам фиксировать топологии более высоких порядков, чем когда-либо наблюдалось ранее».
Команда показала, что как только топология превышает два измерения, вместо одного топологического числа требуется спектр топологических чисел, как это наблюдается в обычных оптических топологиях.
Основным преимуществом этого открытия является то, что ресурсы, необходимые для его работы, есть в большинстве лабораторий квантовой оптики и не требуют наличия специального «квантового инженера».
Педро Орнелас объясняет: «Вы получаете топологию бесплатно, из запутывания в пространстве. Она всегда была там, её просто нужно было найти».
Профессор Роберт де Мелло Кох, ведущий автор из Хучжоуского университета, поясняет: «В высоких измерениях не так очевидно, где искать топологию. Мы использовали абстрактные понятия из квантовой теории поля, чтобы предсказать, где искать и что искать, — и нашли это в эксперименте».
Запутанность орбитального углового момента изучалась и использовалась во многих квантовых системах, но до сих пор страдала от хрупкости. Теперь команда считает, что к запутанности ОУМ можно вернуться с точки зрения её основополагающей топологии, открыв новые возможности для её использования в реальных квантовых системах.
Предоставлено Университетом Витса.