La investigación sobre aislantes topológicos avanza rápidamente y abre la puerta a un amplio abanico de aplicaciones, que van desde la metrología hasta la computación cuántica. Los aislantes topológicos se caracterizan por estados de borde protegidos, que son una manifestación directa de su estructura de bandas. Para entender los efectos de la topología, físicos de todo el mundo están trabajando simultáneamente en una gran cantidad de arquitecturas experimentales. Entre éstas, los paseos cuánticos son modelos potentes donde se pueden simular fases topológicas de la materia en escenarios estáticos y fuera de equilibrio. La mayoría de las arquitecturas de paseos cuánticos construidas hasta ahora han generado procesos unidimensionales. Actualmente hay importantes esfuerzos para investigar el amplio abanico de fenómenos topológicos existentes en 2D y 3D.

En el estudio titulado 'Two-dimensional topological quantum walks in the momentum space of structured light', publicado recientemente en 'Optica', el investigador del Departamento de Física de la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC) Pietro Massignan, junto con investigadores de la Università degli Studi di Napoli Federico II y del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) –instituto universitario de investigación adscrito a la UPC–, detallan la realización de una plataforma fotónica que genera un paseo cuántico en una estructura reticulada cuadrada bidimensional, que emula un aislante cuántico de Hall forzado periódicamente. El aparato consiste en losas de cristal líquido en cascada, diseñado para dar puntadas que dependen de la polarización a los fotones de paso. Combinaciones adecuadas de estas placas permiten manipular dinámicamente la evolución de un haz de luz, realizando un paseo cuántico entre los modos espaciales de la luz llevando una cantidad variable de momento transversal. Los autores demuestran el carácter topológico no trivial de su sistema fotónico mediante la lectura directa del desplazamiento anómalo de un paquete de onda cuando se introduce una fuerza constante al sistema.

La demostración de la nueva plataforma de dos dimensiones de paseos cuánticos abre nuevos caminos para la experimentación y el estudio de dinámicas cuánticas en dos dimensiones. La simulación de otros sistemas de materia condensada, la investigación de la evolución de la luz cuántica y el estudio de las transiciones de fase dinámica se encuentran entre las posibles vías que los autores de este trabajo pretenden explorar en un futuro próximo.

Artículo de referencia

• D’Errico et al., Two-dimensional topological quantum walks in the momentum space of structured light, Optica 7, 108 (2020)