Обнаружена сложная топология в квантовой запутанности: 48 измерений и 17 000 паттернов

Совместная группа исследователей из университета Витватерсранда (Wits) в Южной Африке и Хучжоуского университета в Китае выявила неожиданно богатую внутреннюю структуру в стандартной форме квантовой запутанности. Открытие, опубликованное в журнале Nature Communications, имеет фундаментальное значение для развития квантовых технологий, поскольку оно демонстрирует, что даже рутинные методы генерации запутанности скрывают сложный многомерный ландшафт.

Исследование было сосредоточено на запутанном свете, генерируемом посредством спонтанного параметрического рассеяния (СПР), и анализе свойства света, известного как орбитальный угловой момент (ОУМ). Ключевые количественные результаты включают обнаружение запутанности, распределенной по 48 измерениям, и фиксацию более чем 17 000 различных топологических паттернов. Это число представляет собой самый высокий показатель топологических паттернов, когда-либо зарегистрированный в какой-либо физической системе, что указывает на беспрецедентную сложность.

Ученые убедительно продемонстрировали, что одного только орбитального углового момента (ОУМ) достаточно для возникновения сложной топологии, опровергая предыдущие допущения о необходимости комбинирования нескольких световых свойств, таких как ОУМ и поляризация. Профессор Эндрю Форбс из Школы физики Wits, один из ключевых участников коллектива, отметил, что топология выступает мощным ресурсом для кодирования информации, поскольку она может быть внутренне инвариантной к шуму.

Это открытие имеет немедленные последствия для создания надежных систем квантовой связи и вычислений. Ведущий автор, профессор Роберт де Мелло Кох из Хучжоуского университета, подчеркнул, что сложная топология возникает «бесплатно» из пространственной запутанности, что снижает порог входа для использования высокоразмерного кодирования.

Для подтверждения своих теоретических предсказаний, команда использовала абстрактные концепции из квантовой теории поля, чтобы определить, где искать топологию и какие сигнатуры ожидать, что было затем подтверждено экспериментально.