Komputery kwantowe mają oczywisty potencjał, by w przyszłości rozwiązywać problemy niedostępne dla klasycznych maszyn. Jednym z największych wyzwań pozostaje jednak stworzenie niezawodnych sieci, które pozwolą takim urządzeniom wymieniać informacje. Kluczową rolę odgrywa w nich splątanie kwantowe, czyli szczególny rodzaj powiązania między cząstkami, dzięki któremu stan jednej jest skorelowany ze stanem drugiej.
Sęk w tym, że splątanie jest niezwykle podatne na zakłócenia. Nawet stosunkowo niewielki szum z otoczenia może doprowadzić do jego utraty, utrudniając przesyłanie informacji. Najnowsze badania pokazują na szczęście, iż nie wszystkie właściwości kwantowego światła muszą znikać razem z tym połączeniem. Sekret ostatniego odkrycia tkwi w strukturze nazywanej kwantowym skyrmionem. Nie jest to fizyczny obiekt, lecz specyficzny układ właściwości światła, związany między innymi z jego polaryzacją oraz orbitalnym momentem pędu.
Polaryzacja opisuje kierunek drgań fali świetlnej, natomiast orbitalny moment pędu odnosi się do sposobu skręcania jej frontu falowego. Odpowiednie połączenie tych parametrów pozwala stworzyć charakterystyczny wzór, którego matematyczne właściwości opisuje topologia. Najważniejszą cechą takiej struktury jest jej odporność na lokalne zaburzenia. Nawet jeśli poszczególne elementy wzoru ulegają zmianom, jego ogólna właściwość topologiczna może pozostać niezmieniona. Można to porównać do wiru we włosach: pojedyncze pasma można przesuwać, ale charakterystyczny układ pozostaje rozpoznawalny.
Aby sprawdzić, czy ta właściwość może pomóc w ochronie informacji kwantowej, zespół badawczy ze Stanów Zjednoczonych opracował zintegrowany chip fotoniczny wykonany z azotku krzemu. Urządzenie łączy w sobie kilka funkcji: generuje splątane fotony, kieruje je odpowiednimi ścieżkami i nadaje jednemu z nich pożądany wzór skyrmionowy. Do wytwarzania par fotonów posłużyły impulsy lasera femtosekundowego oraz proces nazywany spontanicznym mieszaniem czterech fal. Następnie specjalne rezonatory mikropierścieniowe pozwoliły odpowiednio połączyć właściwości światła i zakodować w nim charakterystyczną strukturę.
Badacze przeprowadzili również pomiary pozwalające odtworzyć stan kwantowy układu. Wynik dla topologicznej liczby pierwotnego skyrmionu wyniósł 1,981, czyli był bardzo bliski oczekiwanej wartości 2. Z kolei w przypadku przeniesionych stanów dwufotonowych średnia wierność stanu kwantowego osiągnęła 89 procent. Najbardziej zaskakujący etap eksperymentu polegał na celowym wprowadzeniu zakłóceń do układu. Naukowcy zwiększali poziom szumu, między innymi poprzez dodawanie niepożądanego światła tła.
Wraz ze wzrostem zakłóceń stan kwantowy stopniowo się pogarszał, a splątanie między fotonami ostatecznie zanikało. Mimo to topologiczna właściwość skyrmionu pozostawała w dużej mierze niezmieniona. Dopiero znacznie silniejsze zaburzenia doprowadzały do zniszczenia całego wzoru. Stąd wzięło się założenie, jakoby topologiczne właściwości światła były bardziej odporne, niż nam się dotychczas wydawało. W praktyce oznacza to postępy w projektowaniu bardziej odpornych systemów komunikacji kwantowej. Jeśli uda się wykorzystać topologiczną stabilność do zabezpieczania informacji przed zakłóceniami, przesyłanie danych między komputerami kwantowymi może stać się bardziej niezawodne.
Źródło: Nature Physics
