Représentation schématique de la structure qui effectue le processus de tressage avec la lumière. (a) Structure de réseau de guides d'ondes, où la lumière est tressée dans des directions opposées dans les deux réseaux, puis interféré; (b) diagramme montrant le déplacement des coordonnées du réseau de guides d'ondes nécessaires pour effectuer l'opération de tressage, où \alpha désigne l'angle d'un « vortex à l'infini » qui est tressé autour du réseau. Crédit :Noh et al.
La théorie physique suggère que des excitations exotiques peuvent exister sous la forme d'états liés confinés à proximité de défauts topologiques, par exemple, dans le cas des modes zéro de Majorana qui sont piégés dans des tourbillons au sein de matériaux supraconducteurs topologiques. Une meilleure compréhension de ces états pourrait aider au développement de nouveaux outils de calcul, y compris les technologies quantiques.
Un phénomène qui a attiré l'attention au cours des dernières années est le « tressage, " qui se produit lorsque les électrons dans des états particuliers (c'est-à-dire, Majorana fermions) sont tressés les uns avec les autres. Certains physiciens ont émis l'hypothèse que ce phénomène pourrait permettre le développement d'un nouveau type de technologie quantique, à savoir les ordinateurs quantiques topologiques.
Des chercheurs de l'Université d'État de Pennsylvanie, Université de Californie, Berkeley, Université d'État de l'Iowa, Université de Pittsburgh, et l'Université de Boston ont récemment testé l'hypothèse selon laquelle le tressage se produit également dans des particules autres que les électrons, comme les photons (c'est-à-dire particules de lumière). Dans un article publié en Physique de la nature , ils présentent la première démonstration expérimentale de tressage utilisant des modes zéro topologiques photoniques.
« L'idée a été inspirée par une architecture bien connue pour la construction d'un ordinateur quantique ; une architecture qui a été théoriquement prédite mais jamais réalisée expérimentalement, " Mikaël C. Rechtsman, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Pour effectuer des opérations dans ce type d'ordinateur quantique précédemment théorisé, Les fermions de Majorana sont déplacés les uns autour des autres, c'est ce qu'on appelle le tressage. Dans une étude théorique précédente, certains de mes collègues ont prédit que le tressage est un phénomène général qui peut être appliqué non seulement aux électrons, mais aux photons, également. Dans notre nouveau papier, nous le démontrons expérimentalement, à l'aide d'un réseau de guides d'ondes similaires aux câbles à fibres optiques."
Rechtsman et ses collègues ont mesuré la phase géométrique du phénomène de tressage en menant une expérience dans laquelle deux processus de tressage différents interféraient l'un avec l'autre. Dans l'un de ces processus, les défauts topologiques ont été tressés dans le sens des aiguilles d'une montre, tandis que dans l'autre, ils étaient tressés dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.
L'interférence est une caractéristique de la mécanique ondulatoire qui est souvent utilisée pour étudier les systèmes physiques. Cette caractéristique est responsable d'innombrables phénomènes liés aux vagues, allant des tourbillons arc-en-ciel sur les bulles de savon aux ondes gravitationnelles.
"Nous avons observé que la lumière des deux processus de tressage opposés interférait de manière destructive, ce qui a confirmé notre prédiction théorique selon laquelle les processus ont une phase de tressage relative de pi, " Thomas Schuster, un autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org. « Surtout, grâce à l'action particulièrement simple du tressage, la mesure que nous avons collectée nous permet d'extrapoler le comportement de tout processus de tressage. En particulier, il vérifie que lors de l'exécution de plusieurs tresses d'affilée, l'ordre du tressage est important."
Rechtsman, Schuster et leurs collègues ont démontré l'existence d'un processus de tressage généralisable qu'ils appellent tressage non abélien, ce qui est une simple manifestation d'une caractéristique que les chercheurs recherchent dans les systèmes électroniques depuis plusieurs années. Leurs résultats suggèrent que le tressage peut, En réalité, être un phénomène courant qui dépasse les électrons et s'applique également à la lumière, sonner, l'eau et potentiellement même les ondes sismiques.
En plus de mettre en évidence la possibilité d'utiliser les réseaux photoniques comme plateforme pour étudier les défauts topologiques et leur tressage, cette étude pourrait inspirer d'autres équipes de recherche à examiner le tressage dans le contexte d'autres phénomènes impliquant la production d'ondes. Rechtsman, Schuster et leurs collègues prévoient maintenant de continuer à étudier le tressage des modes zéro topologiques photoniques, ainsi que d'autres phénomènes topologiques qui pourraient également être appliqués aux systèmes liés à la lumière.
« Le tressage est un phénomène topologique traditionnellement associé aux appareils électroniques, " a déclaré Rechtsman. " Nous espérons maintenant montrer qu'une classe entière de phénomènes topologiques peut potentiellement être utile non seulement pour les appareils électroniques, mais aussi des appareils photoniques, tels que les lasers, appareils d'imagerie médicale, systèmes de télécommunications, et d'autres. Nous nous attendons également à ce que ce nouveau type de physique topologique puisse être appliqué aux systèmes d'information quantique, en particulier ceux basés sur les photons."
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