Pour la première fois, des chercheurs ont démontré la remarquable capacité à perturber des paires de particules intriquées quantiques spatialement séparées mais interconnectées sans altérer leurs propriétés communes.
L’équipe comprend des chercheurs du Laboratoire de Lumière Structurée (École de Physique) de l’Université du Witwatersrand en Afrique du Sud, dirigé par le professeur Andrew Forbes, en collaboration avec le théoricien des cordes Robert de Mello Koch de l’Université de Huzhou en Chine (anciennement de l’Université de Wits) .
« Nous avons atteint cette étape expérimentale en intriquant deux photons identiques et en personnalisant leur fonction d’onde partagée de telle sorte que leur topologie ou leur structure ne devienne apparente que lorsque les photons sont traités comme une entité unifiée », explique l’auteur principal, Pedro Ornelas, titulaire d’une maîtrise en sciences. étudiant au laboratoire de lumière structurée.
Cette connexion entre les photons a été établie par intrication quantique, souvent appelée « action effrayante à distance », permettant aux particules d’influencer les résultats de mesure les unes des autres, même lorsqu’elles sont séparées par des distances importantes. La recherche a été publié dans Photonique naturelle le 8 janvier 2024.
Le rôle de la topologie et sa capacité à préserver les propriétés, dans ce travail, peut être comparé à la façon dont une tasse à café peut être transformée en forme de beignet ; malgré les changements d’apparence et de forme au cours de la transformation, un trou singulier, une caractéristique topologique, reste constant et inchangé. De cette manière, les deux objets sont topologiquement équivalents. « L’intrication entre nos photons est malléable, comme l’argile entre les mains d’un potier, mais pendant le processus de moulage, certaines caractéristiques sont conservées », explique Forbes.
La nature de la topologie étudiée ici, appelée topologie Skyrmion, a été initialement explorée par Tony Skyrme dans les années 1980 sous forme de configurations de champ présentant des caractéristiques semblables à celles des particules. Dans ce contexte, la topologie fait référence à une propriété globale des champs, semblable à un morceau de tissu (la fonction d’onde) dont la texture (la topologie) reste inchangée quelle que soit la direction dans laquelle elle est poussée.
Ces concepts ont depuis été concrétisés dans des matériaux magnétiques modernes, des cristaux liquides et même sous forme d’analogues optiques utilisant des faisceaux laser classiques. Dans le domaine de la physique de la matière condensée, les skyrmions sont très appréciés pour leur stabilité et leur résistance au bruit, ce qui conduit à des avancées révolutionnaires dans les dispositifs de stockage de données haute densité. « Nous aspirons à voir un impact transformateur similaire avec nos skyrmions à intrication quantique », déclare Forbes.
Des recherches antérieures ont décrit ces Skyrmions comme localisés à un seul endroit. « Notre travail présente un changement de paradigme : la topologie que l’on pensait traditionnellement exister dans une configuration unique et locale est désormais non locale ou partagée entre des entités spatialement séparées », explique Ornelas.
En développant ce concept, les chercheurs utilisent la topologie comme cadre pour classer ou distinguer les états intriqués. Ils envisagent que « cette nouvelle perspective puisse servir de système d’étiquetage pour les états intriqués, semblable à un alphabet », explique le Dr Isaac Nape, co-chercheur.
« De la même manière que les sphères, les beignets et les menottes se distinguent par le nombre de trous qu’ils contiennent, nos skyrmions quantiques peuvent être différenciés de la même manière par leurs aspects topologiques », explique Nape. L’équipe espère que cela pourrait devenir un outil puissant ouvrant la voie à de nouveaux protocoles de communication quantique utilisant la topologie comme alphabet pour le traitement de l’information quantique à travers des canaux basés sur l’intrication.
Les résultats rapportés dans l’article sont cruciaux car les chercheurs luttent depuis des décennies pour développer des techniques permettant de préserver les états intriqués. Le fait que la topologie reste intacte même lorsque l’intrication se désintègre suggère un nouveau mécanisme de codage qui utilise l’intrication, même dans des scénarios avec une intrication minimale où les protocoles de codage traditionnels échoueraient.
« Nous concentrerons nos efforts de recherche sur la définition de ces nouveaux protocoles et sur l’élargissement du paysage des états quantiques topologiques non locaux », déclare Forbes.
Plus d’information:
Pedro Ornelas et al, Skyrmions non locaux en tant qu’états de lumière intriqués quantiques topologiquement résilients, Photonique naturelle (2024). DOI : 10.1038/s41566-023-01360-4