Els científics informen de la formació de polaritons d'ones de matèria en una xarxa òptica, un descobriment experimental que permet estudiar un paradigma central de ciència i tecnologia quàntica mitjançant la simulació quàntica directa utilitzant àtoms ultrafreds.
El descobriment de polaritons onades de matèria arrossega una nova llum sobre les tecnologies quàntiques fotòniques
La investigació publicada a la revista Nature Physics ofereix una nova plataforma per a la "segona revolució quàntica".
El desenvolupament de plataformes experimentals que avança el camp de la ciència i la tecnologia quàntiques (QIST) inclou un conjunt únic d'avantatges i reptes comuns a qualsevol tecnologia emergent. Els investigadors de la Universitat de Stony Brook, dirigits per Dominik Schneble, PhD, informen de la formació de polaritons d'ones de matèria en una xarxa òptica, un descobriment experimental que permet estudiar un paradigma QIST central mitjançant la simulació quàntica directa utilitzant àtoms ultrafreds. Els científics projecten que les seves noves quasipartícules, que imiten fotons que interaccionen fortament en materials i dispositius, però eviten alguns dels reptes inherents, beneficiaran el desenvolupament posterior de les plataformes QIST que estan a punt de revolucionar la informàtica i la tecnologia de la comunicació.
Els resultats de la investigació es detallen en un article publicat a la revista Física de la natura.
L'estudi il·lumina les propietats fonamentals del polariton i els fenòmens relacionats amb molts cossos, i obre noves possibilitats per als estudis de la matèria quàntica polaritònica.
Un repte important en treballar amb plataformes QIST basades en fotons és que, si bé els fotons poden ser portadors ideals d'informació quàntica, normalment no interaccionen entre ells. L'absència d'aquestes interaccions també inhibeix l'intercanvi controlat d'informació quàntica entre ells. Els científics han trobat una manera d'evitar-ho acoblant els fotons a excitacions més pesades en materials, formant així polaritons, híbrids semblants a quimera entre la llum i la matèria. Les col·lisions entre aquestes quasipartícules més pesades fan possible que els fotons interactuïn eficaçment. Això pot permetre la implementació d'operacions de portes quàntiques basades en fotons i, eventualment, de tota una infraestructura QIST.
No obstant això, un repte important és la vida útil limitada d'aquests polaritons basats en fotons a causa del seu acoblament radiatiu al medi ambient, que condueix a una decadència i decoherència espontànies incontrolades.
Una representació artística dels resultats de la investigació en l'estudi del polariton mostra els àtoms d'una xarxa òptica formant una fase aïllant (esquerra); àtoms convertint-se en polaritons d'ones de matèria mitjançant un acoblament al buit mediat per la radiació de microones representada pel color verd (centre); els polaritons es tornen mòbils i formen una fase superfluida per a un fort acoblament al buit (dreta). Crèdits: Alfonso Lanuza/Schneble Lab/Stony Brook University.
Segons Schneble i els seus col·legues, la seva investigació de polariton publicada elueix completament aquestes limitacions causades per la decadència espontània. Els aspectes fotònics dels seus polaritons són portats completament per ones de matèria atòmica, per a les quals no existeixen aquests processos de desintegració no desitjats. Aquesta característica obre l'accés a règims de paràmetres que no són, o encara no, accessibles en sistemes polaritònics basats en fotons.
"El desenvolupament de la mecànica quàntica ha dominat el segle passat i una "segona revolució quàntica" cap al desenvolupament de QIST i les seves aplicacions està en marxa a tot el món, fins i tot a corporacions com IBM, Google i Amazon", diu Schneble. Professor del Departament de Física i Astronomia de la Facultat de Ciències i Arts. "El nostre treball destaca alguns efectes fonamentals de la mecànica quàntica que són d'interès per als sistemes quàntics fotònics emergents en QIST que van des de la nanofotònica de semiconductors fins a l'electrodinàmica quàntica de circuits".
Els investigadors de Stony Brook van dur a terme els seus experiments amb una plataforma amb àtoms ultrafreds en una xarxa òptica, un paisatge potencial semblant a una caixa d'ous format per ones de llum estacionàries. Utilitzant un aparell de buit dedicat amb diversos làsers i camps de control i que funcionava a temperatura nanokelvin, van implementar un escenari en què els àtoms atrapats a la gelosia "es vesteixen" amb núvols d'excitacions de buit fetes d'ones de matèria fràgils i evanescents.
L'equip va trobar que, com a resultat, les partícules polaritònics es tornen molt més mòbils. Els investigadors van poder sondejar directament la seva estructura interna sacsejant suaument la xarxa, accedint així a les contribucions de les ones de matèria i l'excitació de la xarxa atòmica. Quan es deixen sols, els polaritons de les ones de matèria salten a través de la xarxa, interaccionen entre ells i formen fases estables de matèria quasipartícules.
"Amb el nostre experiment vam realitzar una simulació quàntica d'un sistema excitó-polaritó en un règim nou", explica Schneble. "La recerca de fer-ho analogue’ simulations, which in addition areanalògic, en el sentit que els paràmetres rellevants es poden marcar lliurement, constitueix per si sol una direcció important dins de QIST".
Referència: "Formation of matter-wave polaritons in an optical lattice" de Joonhyuk Kwon, Youngshin Kim, Alfonso Lanuza i Dominik Schneble, 31 de març de 2022, Física de la natura.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
La investigació de Stony Brook va incloure estudiants de postgrau Joonhyuk Kwon (actualment un postdoctorat al Sandia National Laboratory), Youngshin Kim i Alfonso Lanuza.
El treball va ser finançat per la National Science Foundation (subvenció # NSF PHY-1912546) amb fons addicionals del SUNY Center for Quantum Information Science a Long Island.
