Une équipe de recherche de l'Université ITMO, avec l'aide de collègues du MIPT (Russie) et du Politecnico di Torino (Italie), a prédit un nouveau type d'état quantique topologique de deux photons. Les scientifiques ont également appliqué une nouvelle méthode expérimentale abordable pour tester cette prédiction. La méthode repose sur une analogie :au lieu d'expériences coûteuses avec des systèmes quantiques de deux photons ou plus enchevêtrés, les chercheurs ont utilisé des circuits électriques résonants de dimensionnalité supérieure décrits par des équations similaires. Les résultats obtenus peuvent être utiles pour l'ingénierie de puces optiques et d'ordinateurs quantiques sans avoir besoin d'expériences coûteuses. La recherche a été publiée dans Communication Nature .

La lumière joue un rôle clé dans les technologies de l'information modernes :avec son aide, l'information est transmise sur de grandes distances via des fibres optiques. À l'avenir, les scientifiques anticipent l'invention de puces optiques et d'ordinateurs qui traitent l'information à l'aide de photons (quanta de lumière) au lieu d'électrons, comme on le fait aujourd'hui. Cela réduira la consommation d'énergie, tout en augmentant les capacités des ordinateurs. Cependant, transformer ces prédictions en réalité, des recherches fondamentales et appliquées sur le comportement de la lumière à l'échelle micro et nanométrique sont nécessaires.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont théoriquement prédit la formation d'un nouvel état quantique de photons :deux photons se propageant dans le réseau de microrésonateurs quantiques (qubits) peuvent former une paire liée et s'installer sur le bord du réseau. Une expérience correcte exige des nanostructures spéciales, ainsi que des dispositifs spéciaux pour créer un tel état quantique de photons et le détecter. Actuellement, de telles capacités ne sont disponibles que pour très peu d'équipes de recherche dans le monde.

Si mener une expérience précise coûte trop cher, il peut être utile de proposer un modèle, ou une analogie, ce qui permettrait de tester les hypothèses théoriques sans dépenser trop de ressources. C'est exactement ce que les physiciens de l'Université ITMO ont réussi à faire. Ils ont établi une analogie entre une classe spécifique de systèmes quantiques et des circuits électriques classiques de dimensionnalité supérieure.

"Nous connectons différents points de la carte à une source d'alimentation externe et étudions la réponse du système à l'aide d'un multimètre et d'un oscilloscope, " explique Nikita Olekhno, doctorat étudiant à l'Université ITMO. "Le résultat est décrit par des équations classiques qui dans notre cas coïncident avec les équations quantiques décrivant des états à deux photons dans le tableau de qubits. Les mêmes équations doivent avoir les mêmes solutions, et peu importe qu'il s'agisse d'une fonction d'onde d'une particule quantique ou d'un potentiel électrique."

Bien sûr, l'analogie que les scientifiques de l'Université ITMO ont proposée ne peut pas remplacer entièrement les expériences avec les systèmes quantiques. Cependant, la structure classique qui a été développée par l'équipe permet aux chercheurs de mener de nombreuses expériences, fournissant des informations précieuses pour le domaine de la photonique quantique. Le fait que les scientifiques de Saint-Pétersbourg aient réussi pour la première fois à trouver une telle analogie pour les systèmes quantiques de nombreuses particules est très prometteur.

"La théorie est toujours en avance sur les capacités expérimentales. Pour être à la pointe de la théorie, nous étudions des effets subtils que nous ne pourrons détecter expérimentalement que dans plusieurs années, " dit Maxim Gorlach, chef de projet et chercheur principal à l'Université ITMO. "Nous menons actuellement une série d'expériences dans ce domaine en recherchant les états de bord topologiques de systèmes quantiques plus exotiques et en développant des moyens de leur émulation. De telles expériences sont importantes à la fois pour la physique fondamentale et les futures applications pratiques."