Vědci hlásí vznik hmotově vlnových polaritonů v optické mřížce, což je experimentální objev, který umožňuje studium centrálního paradigmatu kvantové vědy a technologie prostřednictvím přímé kvantové simulace pomocí ultrachladných atomů.
Objev hmotně-vlnných polaritonů vrhá nové světlo na fotonické kvantové technologie
Výzkum publikovaný v časopise Nature Physics poskytuje novou platformu pro „druhou kvantovou revoluci“.
Vývoj experimentálních platforem, které rozvíjejí oblast kvantové vědy a technologie (QIST), přichází s jedinečnou sadou výhod a výzev společných pro všechny vznikající technologie. Výzkumníci z univerzity Stony Brook, vedeni Dominikem Schneblem, PhD, hlásí vznik polaritonů hmotných vln v optické mřížce, což je experimentální objev, který umožňuje studium centrálního paradigmatu QIST prostřednictvím přímé kvantové simulace pomocí ultrachladných atomů. Vědci předpokládají, že jejich nové kvazičástice, které napodobují silně interagující fotony v materiálech a zařízeních, ale obcházejí některé z inherentních výzev, budou přínosem pro další vývoj platforem QIST, které jsou připraveny k revoluci ve výpočetní a komunikační technologii.
Výsledky výzkumu jsou podrobně popsány v článku publikovaném v časopise Fyzika přírody.
Studie vrhá světlo na základní polaritonové vlastnosti a související jevy mnoha těles a otevírá nové možnosti pro studium polaritonické kvantové hmoty.
Důležitou výzvou při práci s platformami QIST založenými na fotonech je to, že zatímco fotony mohou být ideálními nosiči kvantové informace, normálně spolu neinteragují. Absence takových interakcí také brání řízené výměně kvantových informací mezi nimi. Vědci našli způsob, jak to obejít spojením fotonů s těžšími excitacemi v materiálech, čímž se vytvoří polaritony, hybridy mezi světlem a hmotou podobné chiméře. Srážky mezi těmito těžšími kvazičásticemi pak umožňují účinnou interakci fotonů. To může umožnit implementaci operací kvantové brány na bázi fotonů a případně celé infrastruktury QIST.
Velkou výzvou je však omezená životnost těchto fotonových polaritonů kvůli jejich radiační vazbě na prostředí, což vede k nekontrolovanému spontánnímu rozpadu a dekoherenci.
Umělecké ztvárnění výsledků výzkumu ve studii polaritonu ukazuje atomy v optické mřížce tvořící izolační fázi (vlevo); atomy měnící se v polaritony hmota-vlna vakuovou vazbou zprostředkovanou mikrovlnným zářením reprezentovaným zelenou barvou (střed); polaritony se stávají mobilními a tvoří supratekutou fázi pro silnou vakuovou vazbu (vpravo). Kredit: Alfonso Lanuza/Schneble Lab/Stony Brook University.
Podle Schnebla a kolegů jejich publikovaný výzkum polaritonů taková omezení způsobená spontánním rozpadem zcela obchází. Fotonové aspekty jejich polaritonů jsou zcela neseny vlnami atomové hmoty, pro které takové nežádoucí procesy rozpadu neexistují. Tato funkce otevírá přístup k režimům parametrů, které nejsou nebo zatím nejsou dostupné v polaritonických systémech na bázi fotonů.
„Vývoj kvantové mechaniky dominoval minulému století a „druhá kvantová revoluce“ směrem k vývoji QIST a jeho aplikací nyní probíhá po celém světě, včetně korporací jako IBM, Google a Amazon,“ říká Schneble. profesor na katedře fyziky a astronomie na College of Arts and Sciences. "Naše práce zdůrazňuje některé základní kvantově mechanické efekty, které jsou zajímavé pro vznikající fotonické kvantové systémy v QIST od polovodičové nanofotoniky po obvodovou kvantovou elektrodynamiku."
Vědci ze Stony Brook provedli své experimenty s platformou obsahující ultrachladné atomy v optické mřížce, potenciální krajině podobné vejci, kterou tvoří stojaté vlny světla. Pomocí speciální vakuové aparatury s různými lasery a řídicími poli a pracující při teplotě nanokelvinů implementovali scénář, ve kterém se atomy uvězněné v mřížce „oblékají“ oblaky vakuových excitací vyrobených z vln křehké, nestálé hmoty.
Tým zjistil, že v důsledku toho se polaritonické částice stávají mnohem mobilnějšími. Vědci byli schopni přímo prozkoumat jejich vnitřní strukturu jemným třepáním mřížky, čímž získali přístup k příspěvkům vln hmoty a excitaci atomové mřížky. Když zůstanou samotné, polaritony hmotné vlny přeskakují mřížkou, vzájemně se ovlivňují a tvoří stabilní fáze kvazičásticové hmoty.
„S naším experimentem jsme provedli kvantovou simulaci systému exciton-polariton v novém režimu,“ vysvětluje Schneble. "Touha provést něco takového." analogue’ simulations, which in addition areanalog" v tom smyslu, že příslušné parametry lze libovolně volit, samo o sobě představuje důležitý směr v rámci QIST."
Reference: “Formation of hmota-vlnné polaritony v optické mřížce” od Joonhyuka Kwona, Youngshina Kima, Alfonsa Lanuzy a Dominika Schnebla, 31. března 2022, Fyzika přírody.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
Výzkum Stony Brook zahrnoval postgraduální studenty Joonhyuk Kwon (v současnosti postdoktorand v Sandia National Laboratory), Youngshin Kim a Alfonso Lanuza.
Práce byla financována National Science Foundation (grant # NSF PHY-1912546) s dalšími finančními prostředky od SUNY Center for Quantum Information Science na Long Islandu.
