Учените съобщават за образуването на поляритони на материя-вълни в оптична решетка, експериментално откритие, което позволява изследвания на централна квантова научна и технологична парадигма чрез директна квантова симулация с помощта на ултрастудени атоми.
Откриването на поляритони материя-вълни хвърля нова светлина върху фотонните квантови технологии
Изследванията, публикувани в списание Nature Physics, предоставят нова платформа за „втората квантова революция“.
Разработването на експериментални платформи, които напредват в областта на квантовата наука и технологии (QIST), идва с уникален набор от предимства и предизвикателства, общи за всяка нововъзникваща технология. Изследователи от университета Стоуни Брук, водени от д-р Доминик Шнебле, съобщават за образуването на поляритони на материя-вълна в оптична решетка, експериментално откритие, което позволява изследвания на централна QIST парадигма чрез директна квантова симулация с помощта на ултрастудени атоми. Учените предвиждат, че техните нови квазичастици, които имитират силно взаимодействащи фотони в материали и устройства, но заобикалят някои от присъщите предизвикателства, ще бъдат от полза за по-нататъшното развитие на QIST платформи, които са готови да революционизират изчислителните и комуникационните технологии.
Резултатите от изследването са подробно описани в статия, публикувана в списанието Природа физика.
Изследването хвърля светлина върху фундаменталните свойства на поляритона и свързаните с тях феномени на много тела и отваря нови възможности за изследвания на поляритонова квантова материя.
Важно предизвикателство при работата с базирани на фотони QIST платформи е, че докато фотоните могат да бъдат идеални носители на квантова информация, те обикновено не взаимодействат един с друг. Липсата на такива взаимодействия също възпрепятства контролирания обмен на квантова информация между тях. Учените са намерили начин да заобиколят това, като свързват фотоните с по-тежки възбуждения в материалите, като по този начин образуват поляритони, подобни на химери хибриди между светлина и материя. След това сблъсъците между тези по-тежки квазичастици правят възможно фотоните да взаимодействат ефективно. Това може да даде възможност за внедряване на базирани на фотон квантови операции и в крайна сметка на цяла QIST инфраструктура.
Основно предизвикателство обаче е ограниченият живот на тези базирани на фотони поляритони поради радиационното им свързване с околната среда, което води до неконтролиран спонтанен разпад и декохерентност.
Художествено представяне на резултатите от изследването в изследването на поляритоните показва атомите в оптична решетка, образуващи изолационна фаза (вляво); атоми, превръщащи се в поляритони материя-вълна чрез вакуумно свързване, медиирано от микровълнова радиация, представена от зеления цвят (център); поляритони стават подвижни и образуват свръхфлуидна фаза за силно вакуумно свързване (вдясно). Кредит: Алфонсо Лануза/Лаборатория Шнебле/Университет Стоуни Брук.
Според Шнебле и колеги, тяхното публикувано изследване на поляритоните заобикаля напълно такива ограничения, причинени от спонтанен разпад. Фотонните аспекти на техните поляритони се носят изцяло от вълните на атомната материя, за които не съществуват такива нежелани процеси на разпад. Тази функция отваря достъп до режими на параметри, които не са или все още не са достъпни в базираните на фотони поляритни системи.
„Развитието на квантовата механика доминира през миналия век и „втора квантова революция“ към развитието на QIST и неговите приложения вече е в ход по целия свят, включително в корпорации като IBM, Google и Amazon“, казва Шнебле, професор в катедрата по физика и астрономия в Колежа по изкуства и науки. "Нашата работа подчертава някои фундаментални квантово-механични ефекти, които представляват интерес за възникващи фотонни квантови системи в QIST, вариращи от полупроводникова нанофотоника до схемна квантова електродинамика."
Изследователите от Стоуни Брук проведоха своите експерименти с платформа, включваща ултрастудени атоми в оптична решетка, потенциален пейзаж, подобен на кутия за яйца, образуван от стоящи вълни от светлина. Използвайки специален вакуумен апарат, включващ различни лазери и контролни полета и работещ при температура на нанокелвин, те приложиха сценарий, при който атомите, хванати в решетката, се „обличат“ с облаци от вакуумни възбуждания, направени от крехки, мизерни материи.
Екипът установи, че в резултат на това поляритните частици стават много по-подвижни. Изследователите успяха директно да изследват вътрешната им структура чрез леко разклащане на решетката, като по този начин получиха достъп до приноса на вълните на материята и възбуждането на атомната решетка. Когато останат сами, поляритоните на материята-вълна скачат през решетката, взаимодействат един с друг и образуват стабилни фази на квазичастична материя.
„С нашия експеримент извършихме квантова симулация на екситонно-поляритонна система в нов режим“, обяснява Шнебле. „Стремежът за извършване на такива analogue’ simulations, which in addition areаналогов в смисъл, че съответните параметри могат да се набират свободно, сам по себе си представлява важна посока в рамките на QIST.
Справка: „Формиране на поляритони материя-вълна в оптична решетка“ от Joonhyuk Kwon, Youngshin Kim, Alfonso Lanuza и Dominik Schneble, 31 март 2022 г., Природа физика.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
Изследването на Stony Brook включва студенти Joonhyuk Kwon (в момента постдок в Националната лаборатория Sandia), Youngshin Kim и Alfonso Lanuza.
Работата е финансирана от Националната научна фондация (грант # NSF PHY-1912546) с допълнителни средства от Центъра за квантова информация на SUNY на Лонг Айлънд.
