Los científicos informan sobre la formación de polaritones de ondas de materia en una red óptica, un descubrimiento experimental que permite estudios de un paradigma central de ciencia y tecnología cuántica a través de la simulación cuántica directa utilizando átomos ultrafríos.
El descubrimiento de polaritones de ondas de materia arroja nueva luz sobre las tecnologías fotónicas cuánticas
La investigación publicada en la revista Nature Physics proporciona una plataforma novedosa para la 'segunda revolución cuántica'.
El desarrollo de plataformas experimentales que avanzan en el campo de la ciencia y la tecnología cuánticas (QIST) viene con un conjunto único de ventajas y desafíos comunes a cualquier tecnología emergente. Investigadores de la Universidad de Stony Brook, dirigidos por Dominik Schneble, PhD, informan sobre la formación de polaritones de ondas de materia en una red óptica, un descubrimiento experimental que permite estudios de un paradigma QIST central a través de simulación cuántica directa utilizando átomos ultrafríos. Los científicos proyectan que sus novedosas cuasipartículas, que imitan los fotones que interactúan fuertemente en materiales y dispositivos pero sortean algunos de los desafíos inherentes, beneficiarán el mayor desarrollo de las plataformas QIST que están destinadas a revolucionar la tecnología informática y de comunicación.
Los resultados de la investigación se detallan en un artículo publicado en la revista Física de la naturaleza.
El estudio arroja luz sobre las propiedades fundamentales del polaritón y los fenómenos de muchos cuerpos relacionados, y abre nuevas posibilidades para los estudios de la materia cuántica polaritónica.
Un desafío importante al trabajar con plataformas QIST basadas en fotones es que, si bien los fotones pueden ser portadores ideales de información cuántica, normalmente no interactúan entre sí. La ausencia de tales interacciones también inhibe el intercambio controlado de información cuántica entre ellos. Los científicos han encontrado una forma de evitar esto acoplando los fotones a excitaciones más intensas en los materiales, formando así polaritones, híbridos similares a quimeras entre la luz y la materia. Las colisiones entre estas cuasipartículas más pesadas hacen posible que los fotones interactúen de manera efectiva. Esto puede permitir la implementación de operaciones de puertas cuánticas basadas en fotones y, eventualmente, de una infraestructura QIST completa.
Sin embargo, un desafío importante es la vida útil limitada de estos polaritones basados en fotones debido a su acoplamiento radiativo con el medio ambiente, lo que conduce a una decoherencia y decaimiento espontáneos descontrolados.
Una representación artística de los resultados de la investigación en el estudio del polaritón muestra los átomos en una red óptica formando una fase aislante (izquierda); átomos que se convierten en polaritones de onda de materia a través del acoplamiento de vacío mediado por radiación de microondas representada por el color verde (centro); los polaritones se vuelven móviles y forman una fase superfluida para un fuerte acoplamiento de vacío (derecha). Crédito: Alfonso Lanuza/Schneble Lab/Stony Brook University.
Según Schneble y sus colegas, su investigación de polaritón publicada elude por completo las limitaciones causadas por el decaimiento espontáneo. Los aspectos fotónicos de sus polaritones son transportados por completo por ondas de materia atómica, para las cuales no existen tales procesos de descomposición no deseados. Esta característica abre el acceso a regímenes de parámetros que no son accesibles, o aún no lo son, en los sistemas polaritónicos basados en fotones.
“El desarrollo de la mecánica cuántica ha dominado el siglo pasado, y una 'segunda revolución cuántica' hacia el desarrollo de QIST y sus aplicaciones ya está en marcha en todo el mundo, incluso en corporaciones como IBM, Google y Amazon”, dice Schneble, Profesor del Departamento de Física y Astronomía de la Facultad de Artes y Ciencias. "Nuestro trabajo destaca algunos efectos mecánicos cuánticos fundamentales que son de interés para los sistemas cuánticos fotónicos emergentes en QIST, que van desde la nanofotónica de semiconductores hasta la electrodinámica cuántica de circuitos".
Los investigadores de Stony Brook realizaron sus experimentos con una plataforma que presentaba átomos ultrafríos en una red óptica, un paisaje potencial similar a una caja de huevos formado por ondas de luz estacionarias. Usando un aparato de vacío dedicado con varios láseres y campos de control y operando a una temperatura de nanokelvin, implementaron un escenario en el que los átomos atrapados en la red se "visten" con nubes de excitaciones de vacío hechas de ondas de materia frágiles y evanescentes.
El equipo descubrió que, como resultado, las partículas polaritónicas se vuelven mucho más móviles. Los investigadores pudieron sondear directamente su estructura interna agitando suavemente la red, accediendo así a las contribuciones de las ondas de materia y la excitación de la red atómica. Cuando se dejan solos, los polaritones de ondas de materia saltan a través de la red, interactúan entre sí y forman fases estables de cuasipartículas.
“Con nuestro experimento realizamos una simulación cuántica de un sistema excitón-polaritón en un régimen novedoso”, explica Schneble. “La búsqueda para realizar tal analogue’ simulations, which in addition areanalog` en el sentido de que los parámetros relevantes se pueden marcar libremente, por sí mismo constituye una dirección importante dentro de QIST”.
Referencia: “Formación de polaritones de onda de materia en una red óptica” por Joonhyuk Kwon, Youngshin Kim, Alfonso Lanuza y Dominik Schneble, 31 de marzo de 2022, Física de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
La investigación de Stony Brook incluyó a los estudiantes graduados Joonhyuk Kwon (actualmente un posdoctorado en el Laboratorio Nacional Sandia), Youngshin Kim y Alfonso Lanuza.
El trabajo fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias (subvención # NSF PHY-1912546) con fondos adicionales del Centro SUNY para la Ciencia de la Información Cuántica en Long Island.
