«Апостериори»: Физики обнаружили высокоразмерную топологию в запутанном свете

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Физики из Витватерсрандского университета в Йоханнесбурге обнаружили в нём скрытую топологическую структуру высокой размерности – вплоть до 48 измерений. Это может открыть новые способы хранения и защиты квантовой информации.

В квантовой оптике запутанные фотоны обычно получают с помощью спонтанного параметрического рассеяния. Этот процесс создаёт пары фотонов, свойства которых связаны друг с другом. Одним из таких свойств является орбитальный угловой момент. В отличие от поляризации, которая имеет всего два состояния, орбитальный угловой момент может принимать практически неограниченное число значений. Это делает его удобной основой для работы с высокоразмерными квантовыми состояниями.

В работе, опубликованной в журнале Nature Communications, исследователи показали, что внутри этой системы скрыта сложная топологическая структура. В физике такие структуры часто оказываются устойчивыми к шуму и внешним воздействиям. Обычно для возникновения топологических эффектов в оптических системах требуются как минимум два параметра – например, поляризация и пространственная структура света. Однако в новой работе удалось показать, что топология может возникать уже из одного параметра – орбитального углового момента. Это существенно упрощает экспериментальную реализацию подобных состояний.

Авторы обнаружили, что запутанные фотоны можно описывать с помощью так называемого топологического спектра – набора чисел, каждое из которых характеризует определённое отображение между состояниями системы. В простейших случаях топология описывается одним числом, однако в высоких размерностях этого уже недостаточно. Вместо этого возникает целый набор независимых характеристик, отражающих внутреннюю структуру квантового состояния.

В экспериментах исследователи работали с состояниями размерности до семи. В этом случае соответствующее математическое пространство имеет 48 измерений, а число возможных топологических характеристик превышает 17 тысяч. Это одна из самых высокоразмерных топологических структур, когда-либо реализованных в физических системах.

Важно, что речь не идёт о «новом пространстве» в физическом смысле. Эти измерения возникают как способ описания квантового состояния.

Одним из важных результатов работы является устойчивость таких состояний. Авторы показали, что топологический спектр практически не меняется даже при наличии шума и потерь. Это означает, что информация, закодированная в таких структурах, может быть лучше защищена от искажений – одной из главных проблем квантовых технологий.

Кроме того, исследование выявило неожиданную связь с физикой элементарных частиц. Математическое описание обнаруженных структур оказывается топологически эквивалентным конфигурациям, используемым в теориях магнитных монополей и поля Хиггса. Это указывает на глубокие связи между квантовой оптикой и теориями фундаментальных взаимодействий.

Полученные результаты не означают, что такие топологические структуры уже готовы к применению. Для этого потребуется разработка новых методов управления и измерения квантовых состояний. Однако сама возможность использовать топологию в высокоразмерных системах открывает перспективы для создания более надёжных квантовых каналов связи и вычислений.

По словам авторов, ранее подобные структуры могли оставаться незамеченными, поскольку на такие состояния просто не смотрели с точки зрения топологии.