Um desafio aberto no contexto do processamento e comunicação da informação quântica está preservando informações quânticas na presença de ruído do ambiente, que pode facilmente interromper seu estado frágil, comprometendo sua utilidade como um recurso para futuras tecnologias e protocolos quânticos. Uma nova abordagem promissora envolve um conceito chamado Topologia não nativeque recentemente ganhou atenção como uma solução em potencial. No entanto, a robustez de tais recursos é frequentemente assumido sem evidências que apóiam tais reivindicações no contexto de cenários do mundo actual. Neste trabalho, fornecemos a primeira demonstração de que a topologia quântica não native de Skyrmion pode suportar os efeitos do ruído do mundo actual. Testamos sua resiliência contra ruído, caracterizando uma variedade de interrupções, como imperfeições na geração do estado e detectores defeituosos. Nossas descobertas destacam a topologia não native como um candidato promissor para o processamento de informações quânticas.
Figura 1: Conceitualização de um estado quântico, consistindo de um par de fótons emaranhados, passando por um canal barulhento. Enquanto o estado emaranhado se degrada depois de passar pelo barulho, a topologia do estado é deixada imperturbável.
Evidências de resiliência topológica
Testamos o quão bem esses estados quânticos, e sua topologia pode suportar o ruído, introduzindo uma fonte de ruído genérico que reduz a qualidade do sinal, degradando o estado. Esse tipo de ruído é predominante em muitos sistemas do mundo actual que incluem imperfeições no canal de comunicação e nos detectores. Exemplos incluem fótons extras indesejados, ruído eletrônico em detectores, luz de fundo (como luz photo voltaic) e perda de fótons.
A Figura 2 (a) mostra um resumo dos resultados demonstrando a robustez de diferentes observáveis topológicos na presença de ruído crescente (quantificado pelo contraste quântico, qc) desaparecendo apenas quando não havia sinal detectável no sistema. Isso contrasta fortemente com a degradação do estado capturado pela deterioração das medidas convencionais de emaranhamento, como mostrado na Figura 2 (b).
Figura 2: (a) A invariância do número quântico de Skyrmion para estados de ordens variadas contra a relação sinal / ruído medida pelo contraste quântico. (b) O decaimento do estado caracterizado por um declínio nas medidas usuais de emaranhamento do estado.
Interpretação da resiliência topológica ao ruído
Um objetivo importante deste trabalho foi não apenas demonstrar a robustez dos skyrmions quânticos através do ruído, mas também desenvolver uma intuição por trás dessa robustez, inspirando estudos futuros focados em fornecer evidências para a robustez topológica.
Uma maneira de visualizar isso é pensar em como o estado quântico de um fóton mapeia pontos no espaço para o espaço do estado do outro. Esse relacionamento pode ser representado como uma esfera, como mostrado no lado esquerdo da Figura 3. Quando o ruído é introduzido, reduz gradualmente a esfera, reduzindo -o a um único ponto – representando uma situação em que apenas o ruído permanece e nenhum sinal é deixado. No entanto, mesmo quando a esfera diminui, sua forma elementary permanece inalterada. Isso fornece uma maneira intuitiva de entender por que a topologia do estado permanece resiliente: embora o ruído possa distorcer a geometria (tornando a esfera menor), não muda o fato de que ainda é uma esfera, preservando suas propriedades topológicas essenciais.
Figura 3: O efeito do ruído isotrópico no estado. Na ausência de ruído, um estado puro é representado por uma esfera do raio unitário. Na presença de ruído, o estado se torna parcialmente misturado representado por uma esfera com um raio <1 e se o ruído domina o sistema, o estado é misturado ao máximo representado por um ponto com raio zero.
Nosso trabalho apresenta uma nova abordagem ao processamento e comunicação de informações quânticas em ambientes barulhentos. Ao aproveitar as propriedades topológicas do estado-que permanecem não afetadas pelo ruído-demonstramos uma maneira de manter informações quânticas sem depender de métodos complexos de correção de ruído.
