俄羅斯聖光機大學（ITMO）的研究小組，聯合莫斯科物理技術學院和意大利的科研人員，預測出了一種新型的拓撲量子態，這項研究發表在《自然通訊》雜誌上。
這種拓撲量子態包含兩個光子。科學家應用一種新型簡便的實驗方法來驗證這一預測，使用了由方程公式描述的更高維度的諧振電路。該結果減少了造價高昂的實驗，可用於光學芯片和量子計算機工程。
量子的能力
光在現代信息技術中起著關鍵作用：藉助它，信息可以通過光纖遠距離傳輸。
科學家預計光學芯片和計算機的發明將會像今天一樣在光子（光量子）而不是電子的幫助下處理信息。
這將減少能耗，同時提高計算速度。然而，為了將這些預測變為現實，需要在微觀和宏觀上對光行為進行基礎和應用研究。世界各地的物理學家和工程師都在熱情地研究應用光的新方法。
該論文的主要作者，ITMO大學的研究員Nikita Olekhno解釋說：“這是關於當光線不足時會發生什麼。”
“如果我們要降低光的強度，遲早我們會達到極限，即光就像單獨的粒子一樣。在這些粒子之間可能會出現一種特殊的連接，物理學家稱之為糾纏。
因此，如果我們檢查兩個糾纏光子的系統，它們的特性將相互關聯。如果我們獲取一個光子並改變其特性，我們可以肯定地說必須出現另一個具有預期方向，頻率和極化的光子。”
量子糾纏。圖片來源：newatlas.com
效仿先例
將來，這將使我們能夠創建許多引人入勝的設備：無法被黑客入侵的數據傳輸通道，高精度光譜系統和量子計算機。
在這篇論文中，ITMO大學的科學家從理論上提出了一種特殊的系統，該系統以量子諧振器（qubits）鏈的形式出現，其中一個光子在整個電路中自由移動，並且兩個特定頻率的光子相互作用並始終位於一個鏈的邊緣。
由於光子之間的相互作用而出現的量子邊緣狀態是光子學中的一項嶄新功能，將來可用於開發量子光學芯片。
為了實現這些夢想，需要多年的研究和大量的資源：實驗需要特殊的納米結構。
“創建這樣的結構非常昂貴。另外，我們需要用於生成單光子和成對光子以及進行測量的設備。並非所有大學都可以進行這樣的實驗。” Nikita Olekhno解釋說。
兩個糾纏光子的拓撲狀態的量子模型。圖片來源：ITMO大學物理與工程學院
如果進行精確的實驗過於昂貴，那麼提出一個模型或一個類比可能會很有用，這將使人們無需花費太多資源即可測試某些理論假設。
這種方法在當今的量子物理學中非常流行。在最近幾年中，發表了有關模擬器的一系列論文。
但是，他們的作者設法創建了僅近似描述且僅針對單個光子描述某些量子方面的經典系統。
直到最近，沒有人能找到適用於兩個或多個量子系統的正確類比。這就是ITMO大學的物理學家所完成的。
Nikita Olekhno解釋說：“我們工作的重點不僅是對拓撲雙光子態的預測，而且還對這種多粒子量子態進行仿真。”
“可以通過類比解釋很多。例如，當我向學生介紹光學共振納米粒子時，我將它們與吉他中的聲學共振進行了比較。
在這裡，我們有一個相似的想法：我們創建了一個通過經典電子定律描述的電系統，但是在其中，您可以看到類似於量子光學系統中出現的迷人效果。”
兩個糾纏光子的新量子態的仿真。圖片來源：ITMO大學物理與工程學院
“我們的系統類似於微諧振器的一維鏈。
在每個微諧振器中，一個“光子”或“兩個”光子可以被“鎖定”，並且它們可以從一個微諧振器跳到另一個。” Andrey Stepanenko說。
“在這樣的鏈中，你可以創建光子之間的相互作用。它使它們彼此“感知”（就像氫原子中的質子和電子一樣），但並沒有被吸引，而是彼此排斥。
儘管如此，這些光子仍可以像原子一樣連接，並沿著電路一起移動，這是一個非常有趣的現象。
如果我們以一種特殊的方式構建這樣一個鏈條，使它有一定的對稱性，形成這種耦合光子對，然後拓撲邊緣狀態會出現。
它們具有許多重要的特性，例如，抵抗單個微諧振器甚至整個鏈的不完美幾何形狀。”
從左到右：Andrey Stepanenko，Maxim Gorlach和Nikita Olekhno，提供者：ITMO大學物理與工程學院
它是如何工作的
乍一看，實驗中使用的系統與其量子光子類似物完全不同。研究人員創建了一個二維電路板，而不是一維微諧振器鏈，該電路板是一個大小為15x15單元的電容器的正方形網格。在每個電池的角上都有一個電感，將其連接到零電位。
“我們將電路板上的各個點連接到外部電源，並使用萬用表和示波器研究系統的響應，” 該論文的合著者Polina Ivanova解釋說。“結果由經典的Kirchhoff方程描述，在我們的案例中，該方程與Shroeddinger的量子方程相吻合，該量子方程描述了量子位陣列中的兩個光子狀態。
相同的方程式必須具有相同的解，並且無論是光子的波函數還是電位的波函數都無關緊要。”
實驗中使用的二維電路板。圖片來源：ITMO大學物理與工程學院
當然，ITMO大學科學家提出的類比不能完全用量子系統代替實驗。
但是，該團隊開發的經典結構使研究人員可以進行許多實驗，從而為量子光學領域提供有價值的信息。聖彼得堡的科學家首次設法找到了許多粒子的量子系統的類比，這一事實非常有希望。
“理論始終領先於實驗能力。為了站在理論的最前沿，我們研究了只能在幾年內通過實驗才能檢測到的細微效果，例如具有量子比特電路的細微效果。” 該項目負責人兼ITMO大學高級研究員Maxim Gorlach說。“我們正計劃為此進行努力，並通過研究更奇特的量子系統的拓撲邊緣態並開發其仿真方式，在該領域進行一系列實驗。這樣的實驗對於基礎物理學和未來的實際應用都是重要的。”
ITMO大學研究團隊。圖片來源：ITMO大學物理與工程學院
論文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-020-14994-7
More information:Nikita A. Olekhno et al. Topological edge states of interacting photon pairs emulated in a topolectrical circuit, Nature Communications (2020).
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