Una struttura nascosta a 48 dimensioni si celava dentro la luce intrecciata, e nessuno se ne era accorto. Eppure era lì, sotto gli occhi di tutti, nei laboratori di ottica quantistica di mezzo mondo. Un gruppo di scienziati della University of the Witwatersrand in Sudafrica, in collaborazione con ricercatori della Huzhou University, ha scoperto che una delle tecniche più comuni per produrre fotoni entangled nasconde strutture topologiche mai osservate prima. Strutture che raggiungono, appunto, le 48 dimensioni e che includono oltre 17.000 firme topologiche distinte. Di fatto, un nuovo immenso “alfabeto” per codificare informazione quantistica in modo stabile.
La cosa affascinante è che tutto questo avviene dentro un processo che i fisici usano da anni: la cosiddetta conversione parametrica spontanea discendente (SPDC). Questo metodo genera naturalmente entanglement nelle proprietà spaziali della luce. Quello che i ricercatori hanno scoperto è che dentro questa struttura spaziale si nasconde un territorio inesplorato di topologie ad alta dimensionalità. E questi schemi complessi potrebbero aprire strade nuove per proteggere e immagazzinare informazioni, rendendo i sistemi quantistici più resistenti al rumore.
La topologia emerge da una sola proprietà della luce
I risultati, pubblicati su Nature Communications, mostrano che misurando il momento angolare orbitale (OAM) di due fotoni entangled emerge una topologia intrinseca, una caratteristica fondamentale dell’entanglement stesso. Il punto chiave sta nel fatto che l’OAM può assumere un numero illimitato di valori, e di conseguenza anche le topologie associate si estendono a dimensioni molto elevate.
Il professor Andrew Forbes della Wits School of Physics ha spiegato che serve una sola proprietà della luce, ovvero l’OAM, per generare una topologia. Fino a quel momento si dava per scontato che ne servissero almeno due, tipicamente OAM e polarizzazione. La conseguenza diretta è che, essendo l’OAM ad alta dimensionalità, anche la topologia lo diventa. Ed è proprio questo che ha permesso al team di osservare le topologie più alte mai registrate.
C’è un altro aspetto che vale la pena sottolineare. Quando la topologia supera le due dimensioni, non può più essere descritta da un singolo numero. Serve un intero ventaglio di valori topologici, a riflettere una complessità molto maggiore rispetto ai sistemi ottici tradizionali.
Una scoperta che era sempre stata lì
Forse il dettaglio più sorprendente è quanto questa scoperta sia accessibile. Le risorse necessarie esistono già nella maggior parte dei laboratori di ottica quantistica: nessuna attrezzatura speciale, nessun setup futuristico. Pedro Ornelas, uno dei ricercatori, ha messo la cosa in termini molto diretti: la topologia arriva gratis, dall’entanglement nello spazio. Era sempre stata presente, bisognava solo trovarla.
Trovare queste strutture topologiche ad alta dimensionalità però non è stato banale. Il professor Robert de Mello Koch della Huzhou University ha raccontato che in dimensioni elevate non è affatto ovvio sapere dove cercare. Il team ha usato concetti astratti derivati dalla teoria quantistica dei campi per prevedere dove guardare e cosa aspettarsi, confermando poi tutto sperimentalmente.
Anche se l’entanglement basato sul momento angolare orbitale è stato ampiamente studiato, finora veniva spesso considerato fragile. Guardarlo attraverso la lente della topologia potrebbe cambiare radicalmente questa percezione. Sfruttando queste strutture appena scoperte, gli scienziati potrebbero sviluppare sistemi quantistici più affidabili, aprendo la strada ad applicazioni pratiche nel mondo reale.