Topologischer Schutz versus Grad der Verschr?nkung von Zwei-Photonen-Licht in photonischen topologischen Isolatoren
In gemeinsamer Arbeit haben Forscher der Humboldt Universit?t zu Berlin, des Max-Born-Institut Berlin und der University of Central Florida (USA) notwendige Kriterien für den robusten Transport von verschr?nktem Zwei-Photon-Licht in photonischen topologischen Isolatoren herausgearbeitet, was den Weg ebnet hin zum rausch-resistenten Transport von Quanteninformationen. Die Ergebnisse sind nun in ?Nature Communications“ erschienen.
Topologische Isolatoren - ursprünglich in Festk?rpersystemen entdeckt – sind zwei-dimensionale Materialien, die streuungs-freien (uni-direktionalen) Transport entlang ihres Randes erlauben, sogar im Beisein von Defekten und Unordnung. Im Wesentlichen sind topologische Isolatoren endliche Kristallgittersysteme in denen sich, mit passender Terminierung des zugrundeliegenden unendlichen Gitters, Randzust?nde bilden, welche innerhalb einer wohl-definierten Bandlücke zwischen den Volumenzust?nden liegen. Mit anderen Worten, die Randzust?nde sind von den Volumenzust?nden energetisch separiert.
Die Einzelteilchen-Randzust?nde in solchen System sind von herausragender Bedeutung, da diese topologisch vor Streuung geschützt sind: Sie k?nnen weder in den Festk?rper streuen, da ihre Energie in der Bandlücke liegt, noch k?nnen sie rückw?rts streuen, weil rückw?rts propagierende Randzust?nde entweder nicht existieren oder nicht an die vorw?rts propagierenden Zust?nde gekoppelt sind.
Die Realisierbarkeit komplexer Hamilton-Operatoren mithilfe integrierter photonischer Gitter, kombiniert mit der breiten Verfügbarkeit von verschr?nkten Photonen, er?ffnet die faszinierende M?glichkeit topologisch-beschützte, verschr?nkte Zust?nde in der optischen Quanteninformationsverarbeitung zu verwenden (siehe z.B. Science 362, 568, (2018) und Optica 6, 955 (2019).
Dieses Ziel zu erreichen ist jedoch nicht trivial, denn topologischer Schutz l?sst sich nicht ohne weiteres auf Mehrteilchen (Rück-)streuung ausweiten. Zun?chst erscheint dies kontraintuitiv, denn individuell ist jedes der Teilchen per Topologie beschützt, jedoch k?nnen verschr?nkte (korrelierte) Teilchenpaare h?chst anf?llig gegenüber St?rungen des idealen Kristallgitters sein. Das zugrundeliegende physikalische Prinzip dieser offensichtlichen “Diskrepanz” ist, dass – quantenmechanisch gesehen – identische Teilchen durch Zust?nde beschrieben werden, die einer Austauschsymmetrie genügen.
Publikation
Topological protection versus degree of entanglement of two-photon light in photonic topological insulators,?Konrad Tschernig, ?lvaro Jimenez-Galán, Demetrios N. Christodoulides, Misha Ivanov
Kurt Busch, Miguel A. Bandres, Armando Perez-Leija,?Nature Communications.
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