Complexe Topologie Ontdekt in Kwantumverstrengeling: 48 Dimensies en 17.000 Patronen

Een gezamenlijk onderzoeksteam, bestaande uit wetenschappers van de Universiteit van de Witwatersrand (Wits) in Zuid-Afrika en de Huzhou Universiteit in China, heeft een verrassend rijke interne structuur blootgelegd binnen de standaardvorm van kwantumverstrengeling. Deze ontdekking, gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Nature Communications, is van fundamenteel belang voor de vooruitgang van kwantumtechnologieën. Het toont aan dat zelfs de meest alledaagse methoden voor het genereren van verstrengeling een complex, multidimensionaal landschap verbergen.

De focus van dit baanbrekende onderzoek lag op verstrengeld licht, dat werd gegenereerd via spontane parametrische conversie (SPDC). De onderzoekers analyseerden een specifieke eigenschap van dit licht, namelijk de orbitaal impulsmoment (OAM). De kwantitatieve resultaten zijn opmerkelijk: de vastgestelde verstrengeling bleek zich uit te strekken over maar liefst 48 dimensies. Bovendien registreerden zij meer dan 17.000 verschillende topologische patronen. Dit aantal vertegenwoordigt de hoogste registratie van topologische patronen ooit waargenomen in enig fysiek systeem, wat wijst op een ongekende complexiteit.

De wetenschappers hebben overtuigend aangetoond dat het OAM alleen al voldoende is om deze complexe topologie te doen ontstaan. Hiermee wordt een eerdere aanname weerlegd, namelijk dat de combinatie van meerdere lichtkenmerken, zoals OAM én polarisatie, noodzakelijk was. Professor Andrew Forbes van de School of Physics aan Wits, een van de hoofdrolspelers in dit consortium, benadrukte dat topologie fungeert als een krachtige bron voor het coderen van informatie. Dit komt doordat deze eigenschap inherent immuun kan zijn voor ruis, wat een enorm voordeel biedt in de praktijk.

Deze bevindingen hebben directe implicaties voor de ontwikkeling van robuuste systemen voor zowel kwantumcommunicatie als kwantumcomputing. Professor Robert de Mello Koch van de Huzhou Universiteit, de hoofdauteur van de studie, merkte op dat de complexe topologie nu 'gratis' ontstaat uit de ruimtelijke verstrengeling. Dit verlaagt de drempel aanzienlijk om gebruik te maken van codering in hoge dimensies. Het is alsof men een schatkamer opent zonder de sleutel te hoeven smeden.

Om hun theoretische voorspellingen te valideren, maakte het team gebruik van abstracte concepten uit de kwantumveldentheorie. Deze concepten waren cruciaal om te bepalen waar de topologie zich zou manifesteren en welke specifieke signalen zij konden verwachten. Deze theoretische kaders werden vervolgens succesvol experimenteel bevestigd. Het is een schoolvoorbeeld van hoe theoretische elegantie en experimentele precisie hand in hand gaan in de moderne natuurkunde.

Het is duidelijk dat de standaardmanier waarop men verstrengeld licht produceert, veel rijker is dan men voorheen dacht. Het onthullen van deze 48-dimensionale structuur en de duizenden patronen opent de deur naar nieuwe manieren om informatie te verwerken en te beschermen tegen verstoringen. Dit onderzoek zet een nieuwe standaard voor wat mogelijk is binnen de optische kwantumfysica.