俄罗斯圣光机大学（ITMO）的研究小组，联合莫斯科物理技术学院和意大利的科研人员，预测出了一种新型的拓扑量子态，这项研究发表在《自然通讯》杂志上。
这种拓扑量子态包含两个光子。科学家应用一种新型简便的实验方法来验证这一预测，使用了由方程公式描述的更高维度的谐振电路。该结果减少了造价高昂的实验，可用于光学芯片和量子计算机工程。
量子的能力
光在现代信息技术中起着关键作用：借助它，信息可以通过光纤远距离传输。
科学家预计光学芯片和计算机的发明将会像今天一样在光子（光量子）而不是电子的帮助下处理信息。
这将减少能耗，同时提高计算速度。然而，为了将这些预测变为现实，需要在微观和宏观上对光行为进行基础和应用研究。世界各地的物理学家和工程师都在热情地研究应用光的新方法。
该论文的主要作者，ITMO大学的研究员Nikita Olekhno解释说：“这是关于当光线不足时会发生什么。”
“如果我们要降低光的强度，迟早我们会达到极限，即光就像单独的粒子一样。在这些粒子之间可能会出现一种特殊的连接，物理学家称之为纠缠。
因此，如果我们检查两个纠缠光子的系统，它们的特性将相互关联。如果我们获取一个光子并改变其特性，我们可以肯定地说必须出现另一个具有预期方向，频率和极化的光子。”
量子纠缠。图片来源：newatlas.com
效仿先例
将来，这将使我们能够创建许多引人入胜的设备：无法被黑客入侵的数据传输通道，高精度光谱系统和量子计算机。
在这篇论文中，ITMO大学的科学家从理论上提出了一种特殊的系统，该系统以量子谐振器（qubits）链的形式出现，其中一个光子在整个电路中自由移动，并且两个特定频率的光子相互作用并始终位于一个链的边缘。
由于光子之间的相互作用而出现的量子边缘状态是光子学中的一项崭新功能，将来可用于开发量子光学芯片。
为了实现这些梦想，需要多年的研究和大量的资源：实验需要特殊的纳米结构。
“创建这样的结构非常昂贵。另外，我们需要用于生成单光子和成对光子以及进行测量的设备。并非所有大学都可以进行这样的实验。” Nikita Olekhno解释说。
两个纠缠光子的拓扑状态的量子模型。图片来源：ITMO大学物理与工程学院
如果进行精确的实验过于昂贵，那么提出一个模型或一个类比可能会很有用，这将使人们无需花费太多资源即可测试某些理论假设。
这种方法在当今的量子物理学中非常流行。在最近几年中，发表了有关模拟器的一系列论文。
但是，他们的作者设法创建了仅近似描述且仅针对单个光子描述某些量子方面的经典系统。
直到最近，没有人能找到适用于两个或多个量子系统的正确类比。这就是ITMO大学的物理学家所完成的。
Nikita Olekhno解释说：“我们工作的重点不仅是对拓扑双光子态的预测，而且还对这种多粒子量子态进行仿真。”
“可以通过类比解释很多。例如，当我向学生介绍光学共振纳米粒子时，我将它们与吉他中的声学共振进行了比较。
在这里，我们有一个相似的想法：我们创建了一个通过经典电子定律描述的电系统，但是在其中，您可以看到类似于量子光学系统中出现的迷人效果。”
两个纠缠光子的新量子态的仿真。图片来源：ITMO大学物理与工程学院
“我们的系统类似于微谐振器的一维链。
在每个微谐振器中，一个“光子”或“两个”光子可以被“锁定”，并且它们可以从一个微谐振器跳到另一个。” Andrey Stepanenko说。
“在这样的链中，你可以创建光子之间的相互作用。它使它们彼此“感知”（就像氢原子中的质子和电子一样），但并没有被吸引，而是彼此排斥。
尽管如此，这些光子仍可以像原子一样连接，并沿着电路一起移动，这是一个非常有趣的现象。
如果我们以一种特殊的方式构建这样一个链条，使它有一定的对称性，形成这种耦合光子对，然后拓扑边缘状态会出现。
它们具有许多重要的特性，例如，抵抗单个微谐振器甚至整个链的不完美几何形状。”
从左到右：Andrey Stepanenko，Maxim Gorlach和Nikita Olekhno，提供者：ITMO大学物理与工程学院
它是如何工作的
乍一看，实验中使用的系统与其量子光子类似物完全不同。研究人员创建了一个二维电路板，而不是一维微谐振器链，该电路板是一个大小为15x15单元的电容器的正方形网格。在每个电池的角上都有一个电感，将其连接到零电位。
“我们将电路板上的各个点连接到外部电源，并使用万用表和示波器研究系统的响应，” 该论文的合著者Polina Ivanova解释说。“结果由经典的Kirchhoff方程描述，在我们的案例中，该方程与Shroeddinger的量子方程相吻合，该量子方程描述了量子位阵列中的两个光子状态。
相同的方程式必须具有相同的解，并且无论是光子的波函数还是电位的波函数都无关紧要。”
实验中使用的二维电路板。图片来源：ITMO大学物理与工程学院
当然，ITMO大学科学家提出的类比不能完全用量子系统代替实验。
但是，该团队开发的经典结构使研究人员可以进行许多实验，从而为量子光学领域提供有价值的信息。圣彼得堡的科学家首次设法找到了许多粒子的量子系统的类比，这一事实非常有希望。
“理论始终领先于实验能力。为了站在理论的最前沿，我们研究了只能在几年内通过实验才能检测到的细微效果，例如具有量子比特电路的细微效果。” 该项目负责人兼ITMO大学高级研究员Maxim Gorlach说。“我们正计划为此进行努力，并通过研究更奇特的量子系统的拓扑边缘态并开发其仿真方式，在该领域进行一系列实验。这样的实验对于基础物理学和未来的实际应用都是重要的。”
ITMO大学研究团队。图片来源：ITMO大学物理与工程学院
论文地址：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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