Explorer des graphiques complexes à l'aide de trois

Reportage du 16 mars 2021

par Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Les représentations graphiques peuvent résoudre des problèmes complexes en sciences naturelles, car les modèles de connectivité peuvent donner lieu à une ampleur de phénomènes émergents. Les approches basées sur les graphes sont particulièrement importantes lors de la communication quantique, aux côtés des algorithmes de recherche quantique dans les réseaux quantiques hautement ramifiés. Dans un nouveau rapport maintenant publié sur Science Advances, Max Ehrhardt et une équipe de scientifiques en physique, physique expérimentale et science quantique en Allemagne ont introduit un paradigme jusqu'alors non identifié pour réaliser directement la dynamique d'excitation associée aux réseaux tridimensionnels. Pour ce faire, ils ont exploré l'action hybride de l'espace et des degrés de liberté de polarisation des paires de photons à l'intérieur de circuits de guides d'ondes complexes. L'équipe a exploré expérimentalement les marches quantiques multiparticules sur des graphes complexes et hautement connectés comme bancs d'essai pour ouvrir la voie à l'exploration des applications potentielles de la dynamique fermionique dans la photonique intégrée.

Des réseaux complexes peuvent se produire dans divers domaines scientifiques, allant des voies de signalisation biologiques et des molécules biochimiques pour présenter un transport d'énergie efficace aux circuits neuromorphiques en passant par les interactions sociales sur Internet. Ces structures sont généralement modélisées à l'aide de graphes dont la complexité repose sur le nombre de nœuds et les modèles de liaison entre eux. La représentation physique d'un graphique est limitée par leur exigence d'arrangement dans un espace tridimensionnel (3D). Le cerveau humain est un exemple frappant de comportement de mise à l'échelle défavorable à la simulation physique en raison de son nombre impressionnant de 80 milliards de neurones, éclipsés par 100 000 milliards de synapses qui permettent la circulation des signaux entre eux. Malgré le nombre de nœuds relativement minuscules, les systèmes quantiques discrets ont dû faire face à un certain nombre de défis en raison de topologies de réseau complexes, de communications quantiques multipartites efficaces et d'algorithmes de recherche. Cependant, de telles implémentations physiques sont jusqu'à présent limitées à deux dimensions (2D). Les chercheurs utilisent généralement des marches quantiques pour étudier les propriétés de transport des graphes connectés. Par exemple, ils avaient précédemment utilisé des chaînes linéaires unidimensionnelles (1D) sur une gamme de plates-formes techniques. Dans ce travail, Ehrhardt et al. ont montré des marches quantiques contrôlées de photons corrélés sur des graphiques 3D. Pour réaliser la structure du graphe, ils ont utilisé une nouvelle approche hybride de réseaux photoniques 2D de guides d'ondes spatialement couplés inscrits dans de la silice fondue à l'aide d'une écriture laser femtoseconde. L'approche ouvre de nouvelles voies pour explorer la dynamique quantique de graphes très complexes qui jouent un rôle important dans de nombreuses disciplines scientifiques.

La configuration contenait des guides d'ondes spatialement couplés inscrits dans de la silice fondue et une dimension synthétique codée dans la polarisation des photons. Ils ont établi la dynamique au sein de la dimension synthétique en exploitant les propriétés biréfringentes intrinsèques des guides d'ondes elliptiques historiquement utilisés comme cœurs actifs de polarisation des fibres optiques monomodes individuelles. L'équipe s'est arrangée pour qu'un couplage continu entre deux états de polarisation orthogonaux ait lieu dans les guides d'ondes par rapport à un cadre de référence externe. Ils ont illustré le principe de fonctionnement pour montrer la caractéristique de l'interférence à deux particules en utilisant l'effet Hong-Ou-Mandel (HOM), qui est apparu dans le degré de liberté de polarisation d'un seul guide d'ondes. Les guides d'ondes directs écrits au laser dans la silice fondue étaient intrinsèquement biréfringents et décrits individuellement par un hamiltonien avec des opérateurs d'annihilation bosonique (création) pour les photons sur l'axe principal lent/rapide avec une constante de propagation. Ils ont orienté les axes selon un angle alpha (α) vers le référentiel horizontal ou vertical. Toute déviation dans les états de polarisation des photons se propageant le long de la direction z selon l'équation de mouvement de Heisenberg représentait la force de la biréfringence - la propriété optique du matériau avec un indice de réfraction dépendant de la polarisation et de la direction de propagation de la lumière. Cette structure mathématique était parfaitement équivalente à la dynamique d'un système à deux guides d'ondes couplé et désaccordé. L'équipe a utilisé un état d'entrée à polarisation duplex synthétisé à partir de paires de photons générées par conversion paramétrique vers le bas (SPDC) et l'a injecté dans un guide d'ondes à maintien de polarisation avec un angle de 45 degrés et une longueur personnalisée. En utilisant la configuration expérimentale, les scientifiques ont obtenu un "paysage HOM" 2D pour 20 longueurs différentes.

Extension du système

Sur la base des outils existants, Ehrhardt et al. étendu un système de deux guides d'ondes spatialement couplés à un réseau carré. Alors que les coupleurs de guide d'ondes conventionnels sont conçus pour une polarisation d'entrée spécifique, le rapport de division différent dans ce cas a été dicté par la différence de force de couplage dépendant de la polarisation entre les deux canaux par rapport à la dynamique des photons dans l'axe principal. Les scientifiques ont utilisé une rotation de 45 degrés de l'axe principal, pour permettre un couplage spatial simultané et une diaphonie bien définie entre les états de polarisation dans un guide d'ondes donné. Ils ont également étudié la dynamique collective des états d'entrée à deux photons pour tous les arrangements possibles avec au plus un photon par site. Après la transformation dans le réseau carré, ils ont séparé les composantes de polarisation à l'aide de deux séparateurs de faisceau de polarisation sur puce et ont ensuite détecté les photons à l'aide de photodiodes à avalanche. Pour les photons distinguables, Ehrhardt et al. ont noté des couplages également forts entre les sites du réseau pour former une distribution de probabilité de sortie uniforme sur l'ensemble du réseau. Ils ont noté comment l'interférence quantique destructrice et constructive provoquait la suppression complète et l'amélioration prononcée des photons indiscernables.

L'équipe a montré comment les graphiques de plus grande dimension donnaient naturellement naissance à des symétries d'hypercube (HC) pour fournir une signature distincte à l'évolution des paires de photons corrélés. Conformément à la loi de suppression HC, ils ont noté l'émergence d'interférences quantiques entièrement destructives pour les trajectoires à deux photons avec des combinaisons d'entrée-sortie spécifiques. Ehrhardt et al. ont en outre mis en œuvre une marche quantique expérimentale en 3D, dans laquelle ils ont transformé un triangle couplé de manière équilatérale de guides d'ondes biréfringents identiques en un prisme triangulaire. En utilisant la configuration, ils ont montré comment deux marcheurs bosoniques se comportaient comme des marcheurs fermioniques sur le réseau de guides d'ondes triangulaires équilatéraux. La division en comportement bosonique et fermionique résulte d'une conséquence directe de la structure sous-jacente de l'hypercube - des caractéristiques similaires peuvent être valables pour n'importe quelle structure de sous-graphe. En conséquence, les travaux ont indiqué comment des réseaux de guides d'ondes spécialement conçus peuvent représenter de manière sélective les mécanismes de suppression par rapport à l'interférence bosonique ou fermionique à deux particules sur le sous-espace du guide d'ondes.

De cette façon, l'exploration de la dynamique quantique sur des graphes complexes est importante dans diverses disciplines scientifiques. Cependant, la dimensionnalité accrue a rendu leur mise en œuvre expérimentale encore plus difficile. Max Ehrhardt et ses collègues ont introduit une nouvelle approche en élargissant la dimensionnalité des réseaux photoniques via le degré de liberté de polarisation pour augmenter la connectivité des sommets dans l'espace. Sur la base d'expériences de preuve de principe, Ehrhardt et al. observé des interférences quantiques dans des marches quantiques entièrement contrôlées de photons corrélés sur des graphiques 3D - un objectif de longue date en photonique quantique. Le cadre établi peut permettre à un certain nombre d'opportunités fascinantes de se présenter au-delà du contexte des marches quantiques corrélées. Sur la base de ces résultats, les physiciens peuvent émuler la dynamique quantique des matériaux bicouches 2D dans les systèmes de modèles photoniques. L'équipe prévoit d'examiner plus en détail d'autres topologies non triviales plus efficacement sur des plates-formes optiques.

Plus d'information: Erhardt M. et al. Exploration de graphiques complexes à l'aide de marches quantiques tridimensionnelles de photons corrélés, Science Advances, 10.1126/sciadv.abc5266

Acín A. et al. Percolation d'intrication dans les réseaux quantiques, Nature Physics, doi.org/10.1038/nphys549

Paparo GD et al. Google quantique dans un réseau complexe, rapports scientifiques, doi.org/10.1038/srep02773

Informations sur la revue :Avancées scientifiques , Physique de la nature , Rapports scientifiques

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