La ricerca scientifica ha raggiunto un traguardo fondamentale con l’identificazione di un collegamento essenziale tra l’intreccio quantistico e la topologia. Questa scoperta potrebbe rivoluzionare il modo in cui comprendiamo la meccanica quantistica e aprire la strada a nuovi approcci nel campo della tecnologia quantistica, con potenziali impatti significativi sui settori del calcolo e della comunicazione quantistica.
Per la prima volta, un gruppo di ricercatori del Laboratorio di Luce Strutturata della Scuola di Fisica dell’Università di Witwatersrand in Sudafrica, guidato dal Professor Andrew Forbes, in collaborazione con il teorico delle stringhe Robert de Mello Koch dell’Università di Huzhou in Cina, ha dimostrato la straordinaria capacità di perturbare coppie di particelle quantistiche intrecciate e spazialmente separate senza alterarne le proprietà condivise.
La connessione tra i fotoni è stata stabilita attraverso l’intreccio quantistico, spesso descritto come “azione spettrale a distanza”, che consente alle particelle di influenzare i risultati delle misurazioni reciproche anche quando sono separate da distanze significative. La ricerca è stata pubblicata su Nature Photonics l’8 gennaio 2024.
Il ruolo della topologia e la sua capacità di preservare le proprietà, in questo lavoro, può essere paragonato al modo in cui una tazza da caffè può essere trasformata nella forma di una ciambella; nonostante i cambiamenti di aspetto e forma durante la trasformazione, un buco singolare – una caratteristica topologica – rimane costante e inalterato. In questo modo, i due oggetti sono topologicamente equivalenti. “L’intreccio tra i nostri fotoni è malleabile, come l’argilla nelle mani di un vasaio, ma durante il processo di modellazione, alcune caratteristiche vengono mantenute”, spiega Forbes.
La natura della topologia investigata qui, denominata topologia Skyrmion, è stata inizialmente esplorata da Tony Skyrme negli anni ’80 come configurazioni di campo che mostrano caratteristiche particellari. In questo contesto, la topologia si riferisce a una proprietà globale dei campi, simile a un pezzo di tessuto (la funzione d’onda) la cui trama (la topologia) rimane invariata indipendentemente dalla direzione in cui viene spinta.
Questi concetti sono stati successivamente realizzati in materiali magnetici moderni, cristalli liquidi e persino come analoghi ottici utilizzando fasci laser classici. Nel campo della fisica della materia condensata, gli skyrmioni sono molto apprezzati per la loro stabilità e resistenza al rumore, portando a progressi rivoluzionari nei dispositivi di memorizzazione dati ad alta densità. “Aspiriamo a vedere un impatto trasformativo simile con i nostri skyrmioni quantistici intrecciati”, afferma Forbes.
Ricerche precedenti hanno rappresentato questi Skyrmioni come localizzati in una singola posizione. “Il nostro lavoro presenta un cambiamento di paradigma: la topologia che tradizionalmente si pensava esistesse in una configurazione singola e locale è ora non locale o condivisa tra entità spazialmente separate”, afferma Ornelas.
Espandendo questo concetto, i ricercatori utilizzano la topologia come quadro per classificare o distinguere gli stati intrecciati. Immaginano che “questa nuova prospettiva possa servire come un sistema di etichettatura per gli stati intrecciati, simile a un alfabeto!”, dice il Dr. Isaac Nape, co-investigatore.
I risultati riportati nell’articolo sono cruciali perché i ricercatori hanno lottato per decenni per sviluppare tecniche per preservare gli stati intrecciati. Il fatto che la topologia rimanga intatta anche quando l’intreccio si deteriora suggerisce un potenziale nuovo meccanismo di codifica che utilizza l’intreccio, anche in scenari con un intreccio minimo dove i protocolli di codifica tradizionali fallirebbero.
“Concentreremo i nostri sforzi di ricerca sulla definizione di questi nuovi protocolli e sull’ampliamento del panorama degli stati quantistici non locali topologici”, afferma Forbes.
