Emulato il nuovo stato quantico dei fotoni aggrovigliati

Un team di ricerca dell'ITMO university, con l'aiuto dei colleghi del MIPT — Moscow Institute of Physics and Technology e del Politecnico di Torino (Italia), ha previsto un nuovo tipo di stato quantistico topologico di 2 fotoni.

Gli scienziati hanno anche applicato un nuovo metodo sperimentale conveniente per testare questa previsione. Il metodo si basa sull'analogia: invece di costosi esperimenti con sistemi quantistici di due o più fotoni intrecciati, i ricercatori hanno utilizzato circuiti elettrici risonanti di dimensione superiore descritti da equazioni simili. I risultati ottenuti possono essere utili per la progettazione di chip ottici e computer quantistici senza la necessità di costosi esperimenti. La ricerca è stata pubblicata su Nature Communications. (1)

La luce svolge un ruolo chiave nelle moderne tecnologie informatiche: con il suo aiuto, le informazioni vengono trasmesse su grandi distanze tramite fibre ottiche. In futuro, gli scienziati anticipano l'invenzione di chip ottici e computer che elaborano le informazioni con l'aiuto di fotoni - quanti di luce - anziché di elettroni, come avviene oggi. Ciò ridurrà il consumo di energia, aumentando anche le capacità dei computer. Tuttavia, per trasformare queste previsioni in realtà, sono necessarie ricerche fondamentali e applicate sul comportamento della luce su micro e nanoscala.

I fisici dell'ITMO university, (2) con l'aiuto dei colleghi del MIPT — Moscow Institute of Physics and Technology (3) e del Politecnico di Torino, (4) hanno teoricamente predetto la formazione di un nuovo stato quantico di fotoni: due fotoni che si propagano nella matrice del quantico i microresonatori (qubit) possono formare una coppia legata e stabilirsi sul bordo dell'array. Un esperimento adeguato richiede nanostrutture speciali, nonché dispositivi speciali per creare tale stato quantico di fotoni e rilevarlo. Attualmente, tali capacità sono disponibili solo per pochissimi gruppi di ricerca in tutto il mondo.

Se condurre un esperimento di precisione è troppo costoso, può essere utile elaborare un modello o un'analogia, che consentirebbe di testare le ipotesi teoriche senza spendere troppe risorse. Questo è esattamente ciò che i fisici dell'ITMO university sono riusciti a fare. Hanno tracciato un'analogia tra una specifica classe di sistemi quantistici e circuiti elettrici classici di maggiore dimensionalità.

Nikita Olekhno, (5) dottoranda presso l'ITMO University, spiega: «colleghiamo vari punti della scheda a una fonte di alimentazione esterna e studiamo la risposta del sistema utilizzando un multimetro e un oscilloscopio. Il risultato è descritto da equazioni classiche che nel nostro caso coincidono con le equazioni quantistiche che descrivono stati a due fotoni nella matrice dei qubit. Le stesse equazioni devono avere le stesse soluzioni e non importa se si tratta di una funzione d'onda di una particella quantistica o potenziale elettrico.»

Naturalmente, l'analogia che gli scienziati dell'ITMO university hanno escogitato non può sostituire del tutto gli esperimenti con i sistemi quantistici. Tuttavia, la struttura classica che è stata sviluppata dal team consente ai ricercatori di condurre molti esperimenti, fornendo preziose informazioni per il campo della fotonica quantistica. Il fatto che gli scienziati di San Pietroburgo siano riusciti a trovare una simile analogia per i sistemi quantistici di molte particelle per la prima volta è molto promettente.

Il dottor Maxim Gorlach, (5) capo del progetto e ricercatore senior presso l'ITMO University, spiega: «la teoria è sempre all'avanguardia rispetto alle capacità sperimentali. Per essere all'avanguardia nella teoria, studiamo sottili effetti che saremo in grado di rilevare sperimentalmente solo tra diversi anni. Attualmente stiamo conducendo una serie di esperimenti in questo campo ricercando stati limite topologici di sistemi quantistici più esotici e sviluppando modalità di emulazione. Tali esperimenti sono importanti sia per la fisica fondamentale sia per le future applicazioni pratiche.»

Riferimenti:

(1) Topological edge states of interacting photon pairs emulated in a topolectrical circuit

(2) ITMO University

(3) MIPT — Moscow Institute of Physics and Technology

(4) Politecnico di Torino

(5) Maxim Gorlach

Descrizione foto: vista artistica delle eccitazioni di twophoton nella serie di microresonatori con giunti a tunnel. - Credit: Department of Physics, ITMO University.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: The imitation game: Scientists describe and emulate new quantum state of entangled photons