Esplorare grafici complessi utilizzando tre

Funzionalità del 16 marzo 2021

di Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Le rappresentazioni grafiche possono risolvere problemi complessi nelle scienze naturali, poiché i modelli di connettività possono dare origine a una vasta gamma di fenomeni emergenti. Gli approcci basati su grafici sono particolarmente importanti durante la comunicazione quantistica, insieme agli algoritmi di ricerca quantistica in reti quantistiche altamente ramificate. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Science Advances, Max Ehrhardt e un team di scienziati tedeschi di fisica, fisica sperimentale e scienza quantistica hanno introdotto un paradigma finora non identificato per realizzare direttamente le dinamiche di eccitazione associate alle reti tridimensionali. Per raggiungere questo obiettivo, hanno esplorato l'azione ibrida dello spazio e i gradi di libertà di polarizzazione delle coppie di fotoni all'interno di complessi circuiti di guida d'onda. Il team ha esplorato sperimentalmente le passeggiate quantistiche multiparticellari su grafi complessi e altamente connessi come banchi di prova per aprire la strada all’esplorazione delle potenziali applicazioni della dinamica fermionica nella fotonica integrata.

Reti complesse possono verificarsi in diversi campi della scienza, che vanno dalle vie di segnalazione biologica e alle molecole biochimiche per mostrare un trasporto efficiente di energia ai circuiti neuromorfici fino alle interazioni sociali attraverso Internet. Tali strutture sono tipicamente modellate utilizzando grafi la cui complessità dipende dal numero di nodi e dai modelli di collegamento tra di essi. La rappresentazione fisica di un grafico è limitata dalla loro esigenza di disposizione nello spazio tridimensionale (3D). Il cervello umano è un chiaro esempio di comportamento in scala sfavorevole per la simulazione fisica a causa del suo incredibile numero di 80 miliardi di neuroni, sminuiti da 100 trilioni di sinapsi che consentono il flusso di segnali tra di loro. Nonostante il numero di nodi relativamente minuscolo, i sistemi quantistici discreti hanno dovuto affrontare una serie di sfide a causa di topologie di rete complesse, comunicazioni quantistiche multipartite efficienti e algoritmi di ricerca. Tuttavia, tali implementazioni fisiche sono finora limitate a due dimensioni (2D). I ricercatori in genere utilizzano le passeggiate quantistiche per studiare le proprietà di trasporto dei grafi connessi. Ad esempio, avevano precedentemente utilizzato catene lineari unidimensionali (1D) su una gamma di piattaforme tecniche. In questo lavoro, Ehrhardt et al. ha mostrato passeggiate quantistiche controllate di fotoni correlati su grafici 3D. Per realizzare la struttura del grafico, hanno utilizzato un nuovo approccio ibrido di reticoli fotonici 2D di guide d'onda accoppiate spazialmente inscritte nella silice fusa utilizzando la scrittura laser a femtosecondi. L’approccio apre nuove strade per esplorare la dinamica quantistica di grafici altamente complessi che svolgono un ruolo significativo in numerose discipline scientifiche.

La configurazione conteneva guide d'onda accoppiate spazialmente inscritte nella silice fusa e una dimensione sintetica codificata nella polarizzazione dei fotoni. Hanno stabilito la dinamica all’interno della dimensione sintetica sfruttando le proprietà birifrangenti intrinseche delle guide d’onda ellittiche storicamente utilizzate come nuclei attivi di polarizzazione di singole fibre ottiche monomodali. Il team ha fatto in modo che l'accoppiamento continuo tra due stati di polarizzazione ortogonale avvenisse all'interno delle guide d'onda rispetto a un quadro di riferimento esterno. Hanno illustrato il principio di funzionamento per mostrare il segno distintivo dell'interferenza di due particelle utilizzando l'effetto Hong-Ou-Mandel (HOM), che si verifica nel grado di libertà di polarizzazione di una singola guida d'onda. Le guide d'onda dirette scritte al laser nella silice fusa erano intrinsecamente birifrangenti e descritte individualmente da un hamiltoniano con operatori di annichilazione (creazione) bosonica per i fotoni sull'asse principale lento/veloce con una costante di propagazione. Hanno orientato gli assi con un angolo alfa (α) verso il sistema di riferimento orizzontale o verticale. Eventuali deviazioni negli stati di polarizzazione dei fotoni che si propagano lungo la direzione z secondo l'equazione del movimento di Heisenberg rappresentavano la forza della birifrangenza, la proprietà ottica del materiale con un indice di rifrazione dipendente dalla polarizzazione e dalla direzione di propagazione della luce. Questa struttura matematica era completamente equivalente alla dinamica in un sistema a due guide d'onda accoppiate e desintonizzate. Il team ha utilizzato uno stato di input duplex di polarizzazione sintetizzato da coppie di fotoni generate tramite down-conversion parametrica (SPDC) e lo ha iniettato in una guida d'onda che mantiene la polarizzazione con un angolo di 45 gradi e una lunghezza personalizzata. Utilizzando l'apparato sperimentale, gli scienziati hanno ottenuto un "paesaggio HOM" 2D per 20 lunghezze diverse.