Quanten-Skyrmionen auf einem Chip überleben den Zerfall der Photonenverschränkung

Ein photonischer Chip erzeugt Licht mit einer Verdrehung

Um Quantenhardware über große Entfernungen zu verbinden, müssen Photonen durch Glasfasern oder freie Luft geschickt werden, doch Streuung oder thermisches Rauschen lassen Quantenbindungen typischerweise kollabieren. Um einen stabileren Mechanismus zu testen, entwickelten die Forschenden fast fünf Jahre lang ein photonisches Bauteil am Singh Center for Nanotechnology der University of Pennsylvania, wie Interesting Engineering berichtet. Dieser mikroskopische Chip aus Siliziumnitrid fungiert als vollständiger optischer Schaltkreis, der darauf ausgelegt ist, Quantenlicht auf einer einzigen Plattform zu erzeugen, zu lenken und zu manipulieren – eine technische Innovation in der integrierten Optik.

„Es ist, als ob die einzigartige Bewegung einer Tänzerin plötzlich Teil eines Duetts würde und fortbestünde, selbst wenn die Tänzer getrennt werden.“

— Liang Feng, Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der University of Pennsylvania

Mathematische Topologie auf verschränkte Photonen übertragen

Das Experiment beginnt damit, dass ein Femtosekunden-Laserpuls in zwei spiralförmige Wellenleiter auf dem Chip geleitet wird. Über einen nichtlinearen optischen Mechanismus namens spontane Vierwellenmischung erzeugt der Puls Paare verschränkter Photonen, deren Quantenzustände miteinander verknüpft werden, wie Interesting Engineering im Detail beschreibt. Miniatur-Interferometer leiten die Teilchen über den Chip und schicken ein Photon in speziell strukturierte Mikroring-Resonatoren. Diese Strukturen formen Polarisation und Bahndrehimpuls des Photons zu einem Quanten-Skyrmion: einem wirbelartigen topologischen Muster im Licht, das jeden Polarisationszustand eine bestimmte Anzahl von Malen durchläuft.

Messungen bestätigen: Das Muster überdauert die Quantenverschränkung

Mithilfe einer Bell-Zustandsmessung übertrugen die Forschenden diese topologische Struktur auf den Zweiphotonenzustand und erreichten eine mittlere Quantenzustands-Fidelität von 89 Prozent. Die Tomographie ergab eine anfängliche topologische Zahl des Einzelphotons von 1,981, was dem theoretischen Zielwert von 2 nahekommt. Als das Team gezielt Hintergrundrauschen einbrachte, verschlechterte sich die Quantenverschränkung und kam schließlich zum Erliegen, doch die Skyrmion-Konfiguration blieb bestehen. Laut der in Nature Physics veröffentlichten und von Interesting Engineering aufgegriffenen Studie wurden die überlebenden Korrelationen als Quantendiskord registriert – eine Kennzahl, die nichtklassische Verbindungen jenseits der Standardverschränkung erfasst.

Grenzen und nächste Schritte für die Quantenkommunikation

Während frühere physikalische Modelle davon ausgingen, dass Skyrmion-Strukturen vollständig von der Verschränkung abhängen, zeigt das Experiment, dass sich die Topologie unter mäßigem Rauschen unabhängig verhält. Stärkere Störungen zerstören das Muster schließlich doch, und das Forschungsteam merkt an, dass der aktuelle Prototyp-Schaltkreis ohne aktive Verschränkung noch keinen betriebsbereiten Kommunikationskanal darstellt. Künftige Forschungen sollen klären, ob sich diese topologischen Zustände nutzen lassen, um die Datenübertragung in experimentellen Netzwerken und künftiger Quantencomputer-Hardware abzuschirmen.

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