Zespół zajmujący się tą sprawą badał szczególną właściwość światła zwaną orbitalnym momentem pędu. Jest to cecha opisująca skręconą strukturę fali świetlnej. W uproszczeniu można powiedzieć, że światło może wirować podczas propagacji. W eksperymentach wykorzystano pary splątanych fotonów, czyli cząstek światła pozostających w szczególnej relacji kwantowej. Ich zależność sprawia, że pomiar jednej z nich natychmiast wpływa na stan drugiej, niezależnie od odległości między nimi.
Czytaj też: Najdokładniejszy pomiar rozmiarów protonu w historii. Niemieccy fizycy potwierdzają Model Standardowy
Analizując takie splątane stany światła, naukowcy odkryli, iż kryje się w nich bogata struktura topologiczna. Topologia to dziedzina matematyki zajmująca się właściwościami kształtów i przestrzeni, które nie zmieniają się nawet wtedy, gdy obiekty są rozciągane lub deformowane. W fizyce topologiczne właściwości są szczególnie cenne, ponieważ często wykazują odporność na zakłócenia i szum.
Do tej pory badania topologii w układach fizycznych zwykle ograniczały się do przestrzeni o niewielkiej liczbie wymiarów. Tymczasem nowe eksperymenty pokazały, iż splątane fotony mogą tworzyć znacznie bardziej złożone struktury. W analizowanych stanach światła badacze zidentyfikowali topologiczne przestrzenie o efektywnej wymiarowości sięgającej aż 48 wymiarów. W ich obrębie wykryto ponad 17 tysięcy odrębnych sygnatur topologicznych: rekordową liczbę w jakimkolwiek znanym układzie fizycznym.
Splątanie kwantowe wciąż ma sekrety – i potencjał do odkrycia
Kluczową rolę odegrał fakt, że topologia pojawia się bezpośrednio w samym stanie splątania fotonów. Oznacza to, że złożone struktury nie muszą być sztucznie konstruowane poprzez manipulowanie wieloma parametrami światła. Wystarczy wykorzystać pojedynczy stopień swobody – orbitalny moment pędu – aby uzyskać skomplikowane mapy topologiczne opisujące relacje między stanami kwantowymi.
W dwuwymiarowych przypadkach badacze zademonstrowali między innymi powstawanie struktur znanych jako skyrmiony, które w teorii pola odpowiadają rozwiązaniom związanym z monopolem magnetycznym ’t Hoofta-Poljakowa. Co więcej, eksperyment pozwolił powiązać te struktury z matematycznym opisem pola Higgsa, co pokazuje zaskakujące połączenie między optyką kwantową a fundamentalnymi teoriami cząstek elementarnych.
Czytaj też: Fizyk proponuje rewolucyjną teorię. Piąty wymiar wyjaśnia kwanty i grawitację
W wyższych wymiarach sytuacja staje się jeszcze bardziej złożona. Zamiast pojedynczej liczby topologicznej opisującej układ, pojawia się całe spektrum topologiczne, czyli zestaw wielu niezależnych niezmienników opisujących strukturę stanu kwantowego. Te topologiczne sygnatury można interpretować jako różne sposoby “owijania” przestrzeni stanów kwantowych wokół abstrakcyjnych wielowymiarowych sfer. Jako że topologiczne właściwości są często wyjątkowo stabilne wobec zakłóceń, to mogą być atrakcyjnym nośnikiem informacji w systemach kwantowych.
Źródło: Nature Communications
