Επιστήμονες ανακάλυψαν ότι η πιο κοινή μέθοδος παραγωγής εμπλεκόμενων φωτονίων κρύβει μια απροσδόκητη δομή: τοπολογίες έως 48 διαστάσεων με πάνω από 17.000 διαφορετικές υπογραφές. Η ανακάλυψη ανοίγει νέους δρόμους για την αποθήκευση και προστασία κβαντικής πληροφορίας, χωρίς να απαιτεί εξειδικευμένο εξοπλισμό.
Στα περισσότερα εργαστήρια κβαντικής οπτικής, η παραγωγή εμπλεκόμενων φωτονίων γίνεται με μια τυπική διαδικασία που ονομάζεται αυθόρμητη παραμετρική υποδιαίρεση — ή SPDC στα αγγλικά. Είναι μια καθιερωμένη τεχνική, τόσο συνηθισμένη που οι ερευνητές σπάνια αναρωτιούνται αν κρύβει κάτι που δεν έχουν δει ακόμα. Αποδεικνύεται ότι κρύβει.
Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Witwatersrand της Νότιας Αφρικής, σε συνεργασία με ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Huzhou της Κίνας, ανακάλυψαν ότι μέσα στη χωρική δομή του φωτός που παράγεται από αυτή τη διαδικασία υπάρχουν τοπολογικές δομές — σύνθετα γεωμετρικά μοτίβα που μέχρι τώρα κανείς δεν είχε εντοπίσει εκεί. Στα πειράματά τους, αυτές οι δομές έφτασαν τις 48 διαστάσεις και περιελάμβαναν πάνω από 17.000 διαφορετικές τοπολογικές υπογραφές. Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στο Nature Communications.
Το κλειδί της ανακάλυψης είναι μια ιδιότητα του φωτός που ονομάζεται τροχιακή γωνιακή ορμή — ένας τρόπος να περιγράψουμε πώς «στρίβει» η δέσμη φωτός γύρω από τον άξονά της. Αυτή η ιδιότητα μπορεί να πάρει θεωρητικά απεριόριστες τιμές, κάτι που σημαίνει ότι οι τοπολογίες που κρύβει μπορούν να επεκταθούν σε εξαιρετικά υψηλές διαστάσεις. Ο καθηγητής Andrew Forbes από τη Σχολή Φυσικής του Wits το θέτει απλά: «Χρειαζόμαστε μόνο μία ιδιότητα του φωτός για να δημιουργήσουμε μια τοπολογία, ενώ μέχρι τώρα θεωρούνταν δεδομένο ότι χρειάζονταν τουλάχιστον δύο. Αυτό μας επέτρεψε να αναφέρουμε τις υψηλότερες τοπολογίες που έχουν ποτέ παρατηρηθεί.»
Η τοπολογία, ως κλάδος των μαθηματικών, μελετά ιδιότητες που παραμένουν σταθερές ακόμα και όταν ένα σχήμα παραμορφωθεί. Στον κβαντικό κόσμο, αυτό μεταφράζεται σε πληροφορία που είναι ανθεκτική στον θόρυβο και τις διαταραχές — ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα που αντιμετωπίζουν σήμερα οι κβαντικοί υπολογιστές. Η ανακάλυψη αυτή υποδηλώνει ότι η τοπολογική προστασία δεν χρειάζεται να κατασκευαστεί από την αρχή: είναι ήδη εκεί, ενσωματωμένη στην ίδια τη φύση της εμπλοκής.
«Παίρνεις την τοπολογία δωρεάν, από την εμπλοκή στον χώρο. Ήταν πάντα εκεί, απλώς έπρεπε να βρεθεί», λέει ο Pedro Ornelas, ένας από τους συγγραφείς της έρευνας. Ο επικεφαλής συγγραφέας, καθηγητής Robert de Mello Koch, προσθέτει ότι η αναζήτηση δεν ήταν προφανής: χρησιμοποίησαν αφηρημένες έννοιες από την κβαντική θεωρία πεδίου για να προβλέψουν πού να κοιτάξουν — και βρήκαν αυτό που αναζητούσαν στο πείραμα.
Αυτό που κάνει την ανακάλυψη ιδιαίτερα σημαντική από πρακτική άποψη είναι η προσβασιμότητά της. Ο απαραίτητος εξοπλισμός υπάρχει ήδη στα περισσότερα εργαστήρια κβαντικής οπτικής. Δεν χρειάζονται νέες υποδομές, εξειδικευμένα υλικά ή πολύπλοκες ρυθμίσεις. Αν αυτές οι τοπολογικές δομές μπορούν να αξιοποιηθούν για την κωδικοποίηση και προστασία κβαντικής πληροφορίας, το επόμενο βήμα προς αξιόπιστα κβαντικά συστήματα μπορεί να είναι πιο κοντά από ό,τι νομίζαμε — και να κρύβεται σε εξοπλισμό που ήδη έχουμε.
