Wissenschaftler berichten über die Bildung von Materiewellen-Polaritonen in einem optischen Gitter, eine experimentelle Entdeckung, die Studien eines zentralen Paradigmas der Quantenwissenschaft und -technologie durch direkte Quantensimulation mit ultrakalten Atomen ermöglicht.
Die Entdeckung von Materiewellen-Polaritonen wirft ein neues Licht auf photonische Quantentechnologien
In der Zeitschrift Nature Physics veröffentlichte Forschungsergebnisse bieten eine neuartige Plattform für die „zweite Quantenrevolution“.
Die Entwicklung experimenteller Plattformen, die das Gebiet der Quantenwissenschaft und -technologie (QIST) voranbringen, bringt eine einzigartige Reihe von Vorteilen und Herausforderungen mit sich, die alle neuen Technologien gemeinsam haben. Forscher der Stony Brook University unter der Leitung von Dominik Schneble, PhD, berichten über die Bildung von Materiewellen-Polaritonen in einem optischen Gitter, eine experimentelle Entdeckung, die Studien eines zentralen QIST-Paradigmas durch direkte Quantensimulation mit ultrakalten Atomen ermöglicht. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass ihre neuartigen Quasiteilchen, die stark wechselwirkende Photonen in Materialien und Geräten nachahmen, aber einige der inhärenten Herausforderungen umgehen, der weiteren Entwicklung von QIST-Plattformen zugute kommen werden, die bereit sind, die Computer- und Kommunikationstechnologie zu revolutionieren.
Die Forschungsergebnisse werden in einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel detailliert beschrieben Naturphysik.
Die Studie wirft Licht auf grundlegende Polariton-Eigenschaften und verwandte Vielteilchenphänomene und eröffnet neue Möglichkeiten für Studien polaritonischer Quantenmaterie.
Eine wichtige Herausforderung bei der Arbeit mit photonenbasierten QIST-Plattformen besteht darin, dass Photonen zwar ideale Träger von Quanteninformationen sein können, aber normalerweise nicht miteinander interagieren. Das Fehlen solcher Wechselwirkungen verhindert auch den kontrollierten Austausch von Quanteninformationen zwischen ihnen. Wissenschaftler haben einen Ausweg gefunden, indem sie die Photonen an stärkere Anregungen in Materialien koppeln und so Polaritonen bilden, chimärenartige Hybride zwischen Licht und Materie. Kollisionen zwischen diesen schwereren Quasiteilchen ermöglichen dann eine effektive Wechselwirkung der Photonen. Dies kann die Implementierung von photonenbasierten Quantengatteroperationen und schließlich einer gesamten QIST-Infrastruktur ermöglichen.
Eine große Herausforderung ist jedoch die begrenzte Lebensdauer dieser photonenbasierten Polaritonen aufgrund ihrer Strahlungskopplung an die Umgebung, die zu unkontrolliertem spontanem Zerfall und Dekohärenz führt.
Eine künstlerische Umsetzung der Forschungsergebnisse der Polariton-Studie zeigt die Atome in einem optischen Gitter, die eine isolierende Phase bilden (links); Atome verwandeln sich durch Vakuumkopplung in Materiewellen-Polaritonen, vermittelt durch Mikrowellenstrahlung, dargestellt durch die grüne Farbe (Mitte); Polaritonen werden mobil und bilden eine superfluide Phase für eine starke Vakuumkopplung (rechts). Bildnachweis: Alfonso Lanuza/Schneble Lab/Stony Brook University.
Laut Schneble und Kollegen umgeht ihre veröffentlichte Polariton-Forschung solche Einschränkungen, die durch spontanen Zerfall verursacht werden, vollständig. Die Photonenaspekte ihrer Polaritonen werden vollständig von atomaren Materiewellen getragen, für die solche unerwünschten Zerfallsprozesse nicht existieren. Diese Funktion eröffnet den Zugang zu Parameterregimen, die in photonenbasierten polaritonischen Systemen nicht oder noch nicht zugänglich sind.
„Die Entwicklung der Quantenmechanik hat das letzte Jahrhundert dominiert, und eine ‚zweite Quantenrevolution‘ hin zur Entwicklung von QIST und seinen Anwendungen ist jetzt rund um den Globus in vollem Gange, auch bei Unternehmen wie IBM, Google und Amazon“, sagt Schneble, Professor am Institut für Physik und Astronomie des College of Arts and Sciences. „Unsere Arbeit hebt einige grundlegende quantenmechanische Effekte hervor, die für entstehende photonische Quantensysteme in QIST von Interesse sind, die von der Halbleiter-Nanophotonik bis zur Quantenelektrodynamik von Schaltkreisen reichen.“
Die Forscher von Stony Brook führten ihre Experimente mit einer Plattform aus ultrakalten Atomen in einem optischen Gitter durch, einer eierkistenartigen Potentiallandschaft, die von stehenden Lichtwellen gebildet wird. Unter Verwendung einer speziellen Vakuumapparatur mit verschiedenen Lasern und Steuerfeldern, die bei Nanokelvin-Temperatur arbeiteten, implementierten sie ein Szenario, in dem sich die im Gitter eingeschlossenen Atome mit Wolken von Vakuumanregungen aus zerbrechlichen, evaneszenten Materiewellen „anziehen“.
Das Team fand heraus, dass die polaritonischen Teilchen dadurch viel beweglicher werden. Ihre innere Struktur konnten die Forscher durch leichtes Schütteln des Gitters direkt ausloten und so auf die Beiträge der Materiewellen und der Atomgitteranregung zugreifen. Wenn sie in Ruhe gelassen werden, hüpfen die Materiewellen-Polaritonen durch das Gitter, interagieren miteinander und bilden stabile Phasen von Quasiteilchen-Materie.
„Mit unserem Experiment haben wir eine Quantensimulation eines Exziton-Polariton-Systems in einem neuartigen Regime durchgeführt“, erklärt Schneble. „Die Suche nach solchen analogue’ simulations, which in addition are„analog“ in dem Sinne, dass die relevanten Parameter frei angewählt werden können, stellt für sich genommen eine wichtige Richtung innerhalb von QIST dar.“
Referenz: „Formation of matter-wave polaritons in an optical lattice“ von Joonhyuk Kwon, Youngshin Kim, Alfonso Lanuza und Dominik Schneble, 31. März 2022, Naturphysik.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
An der Forschung von Stony Brook nahmen die Doktoranden Joonhyuk Kwon (derzeit Postdoc am Sandia National Laboratory), Youngshin Kim und Alfonso Lanuza teil.
Die Arbeit wurde von der National Science Foundation (Grant # NSF PHY-1912546) mit zusätzlichen Mitteln des SUNY Center for Quantum Information Science auf Long Island finanziert.
