Gli skyrmion quantistici su chip sopravvivono alla rottura dell'entanglement fotonico
I ricercatori dell'Università della Pennsylvania dimostrano che i pattern topologici nella luce persistono attraverso le reti quantistiche nonostante il rumore ambientale.
Di Letizia Giugliano
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I fisici dell'Università della Pennsylvania hanno dimostrato che i pattern topologici codificati nella luce possono persistere anche dopo che l'entanglement quantistico che collega due fotoni si è dissolto. La scoperta affronta una delle vulnerabilità fondamentali delle reti quantistiche ottiche, dove il rumore ambientale distrugge abitualmente i collegamenti quantistici sensibili. Utilizzando un circuito integrato in nitruro di silicio, il team ha mostrato che la topologia matematica offre un modo resiliente di proteggere gli stati quantistici.
Un chip fotonico costruisce luce con una torsione
Collegare hardware quantistico su lunghe distanze richiede l'invio di fotoni attraverso fibre o aria aperta, ma il rumore termico disperso o lo scattering fanno tipicamente collassare i legami quantistici. Per testare un meccanismo più robusto, i ricercatori hanno impiegato quasi cinque anni per progettare un dispositivo fotonico presso il Singh Center for Nanotechnology dell'Università della Pennsylvania, come riportato da Interesting Engineering. Questo chip microscopico in nitruro di silicio funziona come un circuito ottico completo progettato per generare, guidare e manipolare la luce quantistica in un'unica piattaforma, rappresentando un'innovazione tecnica nell'ottica integrata.
«È come se il movimento unico di una ballerina diventasse improvvisamente parte di un duetto, e persistesse anche quando i ballerini venivano separati»
— Liang Feng, professore di scienza e ingegneria dei materiali all'Università della Pennsylvania
Codificare la topologia matematica su fotoni accoppiati
L'esperimento inizia indirizzando un impulso laser a femtosecondi in due guide d'onda a spirale sul chip. Attraverso un meccanismo ottico non lineare chiamato miscelazione spontanea a quattro onde, l'impulso genera coppie di fotoni entangled i cui stati quantistici si legano, come dettagliato da Interesting Engineering. Interferometri miniaturizzati instradano le particelle attraverso il chip, inviando un fotone in risonatori microring appositamente strutturati. Queste strutture modellano la polarizzazione e il momento angolare orbitale del fotone per formare uno skyrmion quantistico: un pattern topologico simile a un vortice nella luce che copre ogni stato di polarizzazione un numero specifico di volte.
Le misurazioni confermano che il pattern sopravvive all'entanglement quantistico
Utilizzando una misurazione dello stato di Bell, i ricercatori hanno trasferito questa struttura topologica allo stato a due fotoni, raggiungendo una fedeltà media dello stato quantistico dell'89 percento. La tomografia ha rivelato un numero topologico iniziale del singolo fotone di 1,981, vicino all'obiettivo teorico di 2. Quando il team ha iniettato deliberatamente rumore di fondo, l'entanglement quantistico si è deteriorato e infine è cessato, eppure la configurazione dello skyrmion è persistita. Secondo lo studio pubblicato su Nature Physics e ripreso da Interesting Engineering, le correlazioni sopravvissute si sono registrate come discordia quantistica, una metrica che traccia i legami non classici al di là dell'entanglement standard.
Limiti e prossimi passi per la comunicazione quantistica
Mentre i precedenti modelli fisici presumevano che le strutture skyrmion dipendessero interamente dall'entanglement, l'esperimento mostra che la topologia si comporta in modo indipendente sotto rumore moderato. Un'interferenza più forte finisce comunque per distruggere il pattern, e il team di ricerca nota che l'attuale circuito prototipo non costituisce ancora un canale di comunicazione operativo senza entanglement attivo. La ricerca futura esplorerà se questi stati topologici possono essere sfruttati per schermare il trasferimento dati all'interno di reti sperimentali e di future apparecchiature per il calcolo quantistico.
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