באמצעות תפיסה מתמטית, החוקרים משפרים את האופן שבו חלקיקי האור מתקשרים במעגלים מיוחדים, מה שיכול להפוך מערכות טכנולוגיות קוונטיות לאמינות יותר ולפתוח אפשרויות חדשות לחדשנות. קרדיט: twoday.co.il.com
צוות מחקר בוחן כיצד אור נע דרך מעגלים מיוחדים הנקראים מוליכי גל אופטיים, תוך שימוש במושג שנקרא טופולוגיה. הם גילו תגלית חשובה המשלבת נתיבי אור יציבים עם אינטראקציות של חלקיקי אור, מה שיכול להפוך את המחשבים הקוונטיים לאמינים יותר ולהוביל להתקדמות טכנולוגית חדשה.
חדשנות מדעית נוצרת לעתים קרובות כסינתזה ממושגים שלכאורה אינם קשורים זה לזה. לדוגמה, ההדדיות של חשמל ומגנטיות סללה את הדרך לתיאוריית האור של מקסוול, שעד כה זוכה לשיפור מתמשך ולהרחיב אותה עם רעיונות ממכניקת הקוונטים.
באופן דומה, קבוצת המחקר של פרופסור אלכסנדר שמיט במכון לפיזיקה באוניברסיטת רוסטוק חוקרת את התפתחות האור במעגלי מוליכי גל אופטיים בנוכחות טופולוגיה. מושג מתמטי מופשט זה פותח בתחילה כדי לסווג גיאומטריות מוצקות לפי התכונות הגלובליות שלהן. שמית מסביר: "במערכות טופולוגיות האור עוקב רק אחר המאפיינים הגלובליים של מערכת מוליכי הגלים. הפרעות מקומיות למובילי הגלים כמו פגמים, מקומות פנויים ואי-סדר לא יכולים להסיט את דרכו".
פריצת דרך בהפרעות פוטון וטכנולוגיות קוונטיות
בשנת 1987, הבחינו הפיזיקאים הונג, או ומנדל בהתנהגות של פוטון זוגות במפצל קרן בניסוי שעד לאחרונה היה בלתי תלוי בטופולוגיה. הם גילו שפוטון, שמפריע לעצמו בשל התנהגותו כגל אלקטרומגנטי, מסוגל גם ליצור דפוסי הפרעה יחד עם חלקיקי אור אחרים. בנוסף להסתבכות כמאפיין בסיסי נוסף של חלקיקי אור קוונטי, התגלית פורצת הדרך הזו הוכחה כמרכיב אינסטרומנטלי לטכנולוגיות קוונטיות אופטיות חדשות, כולל מחשבים קוונטיים.
שני פוטונים (כדמויות מקל) רוקדים על רצועת מוביוס. התנועה המשותפת שלהם לאורך רחבת הריקודים המעוותת הזו היא תוצאה של הפרעות קוונטיות. באופן קלאסי, כל אחד משני הפוטונים היה הולך בדרכו בשדה מטוס. קרדיט: אוניברסיטת רוסטוק, המכון לפיזיקה
חדשנות קוונטית באמצעות הגנה טופולוגית
במאמץ משותף עם עמיתים מאוניברסיטת אלברט-לודוויגס-אוניברסיטת פרייבורג, החוקרים השיגו לשלב התפשטות חזקה מבחינה טופולוגית של אור עם הפרעה של זוגות פוטונים.
"התוצאה הזו היא באמת אבן דרך", אומר סמית, שחיפשה חיבור כזה כבר הרבה זמן.
מקס ארהרדט, מועמד לדוקטורט ומחבר ראשון של העבודה, ממשיך: "טכנולוגיות קוונטיות נאבקות במורכבות הולכת וגוברת. לפיכך, הגנה טופולוגית של אלמנטים אופטיים היא כלי תכנון נחוץ כדי להבטיח פעולה תקינה ללא קשר לסובלנות הייצור הסופיות של האלמנטים האופטיים."
(משמאל לימין) מתיאס היינריך, אלכסנדר שמיט ומקס ארהרדט – מחברי המאמר המדע – מתנסים במעגלים פוטוניים. קרדיט: אוניברסיטת רוסטוק
הפיזיקאים מייחסים את ההתנהגות המיוחדת שנצפתה לטבעו הקוונטי של האור: "זוגות פוטונים שרואים זה את זה תופסים את מבנה מוליך הגל כמפותל. זה גורם להם להתחבר, כאילו הם רוקדים לאורך רחבת הריקודים המעוותת כזוג. פוטונים שעוברים דרך מוליך הגל בנפרד חווים רק משטח שטוח רגיל. אז יש לנו הבדל טופולוגי", ממשיך ארהרדט להסביר את המנגנון.
המדען הבכיר של הקבוצה ד"ר מתיאס היינריך, מסכם את המדידות המרתקות הללו, אמר "הופתענו עד כמה נוכל לעוות את מערכת מוליכי הגלים שלנו ללא כל השפעה על הפרעות קוונטיות".
כיוונים עתידיים במערכות קוונטיות טופולוגיות
סמית כבר חושב על נקודות מבט נוספות שייחקרו על ידי הצוות שלו: "מערכות מוליכי הגלים שלנו מספקות מאגר עשיר של אפשרויות לבניית מערכות טופולוגיות לאור. הסימביוזה עם האור הקוונטי היא רק ההתחלה".
מחקר זה מומן על ידי קרן המחקר הגרמנית, האיחוד האירופי וקרן קרופ פון בולן והלבך.
