دانشمندان پلتفرم آزمایشی برای "انقلاب کوانتومی دوم" ایجاد کردند

دانشمندان شکل‌گیری پلاریتون‌های موج ماده را در یک شبکه نوری گزارش می‌کنند، یک کشف تجربی که مطالعات یک پارادایم علم و فناوری کوانتومی مرکزی را از طریق شبیه‌سازی کوانتومی مستقیم با استفاده از اتم‌های فوق سرد امکان‌پذیر می‌سازد.

کشف پلاریتون‌های موج ماده، نور جدیدی بر فناوری‌های کوانتومی فوتونیک می‌افکند

تحقیقات منتشر شده در مجله Nature Physics یک پلت فرم جدید برای "انقلاب کوانتومی دوم" فراهم می کند.

توسعه پلتفرم‌های آزمایشی که زمینه علم و فناوری کوانتومی (QIST) را پیش می‌برد، با مجموعه‌ای از مزایا و چالش‌های مشترک برای هر فناوری نوظهوری همراه است. محققان دانشگاه استونی بروک، به رهبری دکتر دومینیک اشنبل، تشکیل قطبیتون های موج ماده را در یک شبکه نوری گزارش کردند، یک کشف تجربی که امکان مطالعات پارادایم مرکزی QIST را از طریق شبیه سازی کوانتومی مستقیم با استفاده از اتم های فوق سرد فراهم می کند. دانشمندان پیش‌بینی می‌کنند که شبه ذرات جدیدشان، که فوتون‌های برهمکنش قوی را در مواد و دستگاه‌ها تقلید می‌کنند، اما برخی از چالش‌های ذاتی را دور می‌زنند، به توسعه بیشتر پلت‌فرم‌های QIST که می‌خواهند فناوری محاسبات و ارتباطات را متحول کنند، سود خواهند برد.



یافته های تحقیق به تفصیل در مقاله ای منتشر شده در ژورنال آمده است فیزیک طبیعت.

این مطالعه ویژگی‌های اساسی پلاریتون و پدیده‌های چند جسمی مرتبط را روشن می‌کند و فرصت‌های جدیدی را برای مطالعات ماده کوانتومی پلاریتونیک باز می‌کند.

یک چالش مهم در کار با پلتفرم‌های QIST مبتنی بر فوتون این است که اگرچه فوتون‌ها می‌توانند حامل ایده‌آلی اطلاعات کوانتومی باشند، اما معمولاً با یکدیگر تعامل ندارند. عدم وجود چنین برهمکنش هایی نیز مانع از تبادل کنترل شده اطلاعات کوانتومی بین آنها می شود. دانشمندان با جفت کردن فوتون‌ها به تحریکات سنگین‌تر در مواد، راهی برای حل این مشکل پیدا کرده‌اند، بنابراین پلاریتون‌ها، هیبریدهای واهی‌مانند بین نور و ماده تشکیل می‌شوند. برخورد بین این شبه ذرات سنگین‌تر، فوتون‌ها را قادر می‌سازد تا به طور مؤثر برهمکنش کنند. این می تواند اجرای عملیات دروازه کوانتومی مبتنی بر فوتون و در نهایت کل زیرساخت QIST را امکان پذیر کند.


با این حال، یک چالش بزرگ، عمر محدود این پلاریتون‌های مبتنی بر فوتون به دلیل جفت شدن تابشی آن‌ها با محیط است که منجر به واپاشی و ناپیوستگی خودبه‌خودی کنترل‌نشده می‌شود.

یک ارائه هنری از یافته های تحقیق در مطالعه پلاریتون، اتم ها را در یک شبکه نوری نشان می دهد که فاز عایق را تشکیل می دهد (سمت چپ). تبدیل اتم‌ها به پلاریتون‌های موج ماده از طریق جفت خلاء با واسطه تابش مایکروویو که با رنگ سبز (مرکز) نشان داده می‌شود. پلاریتون ها متحرک می شوند و یک فاز فوق سیال را برای جفت شدن خلاء قوی تشکیل می دهند (راست). اعتبار: آلفونسو لانوزا/آزمایشگاه شنبل/دانشگاه استونی بروک.

به گفته اشنبل و همکاران، تحقیقات منتشر شده آنها از قطبی چنین محدودیت های ناشی از پوسیدگی خود به خود را به طور کامل دور می زند. جنبه‌های فوتونی پلاریتون‌های آن‌ها به طور کامل توسط امواج ماده اتمی حمل می‌شوند، که چنین فرآیندهای فروپاشی ناخواسته‌ای برای آنها وجود ندارد. این ویژگی دسترسی به رژیم‌های پارامتری را باز می‌کند که در سیستم‌های پلاریتونیک مبتنی بر فوتون قابل دسترسی نیستند یا هنوز در دسترس نیستند.

اشنبل می‌گوید: «توسعه مکانیک کوانتومی در قرن گذشته تسلط داشته است و «انقلاب کوانتومی دوم» به سمت توسعه QIST و کاربردهای آن اکنون در سراسر جهان از جمله در شرکت‌هایی مانند IBM، Google و Amazon در حال انجام است. استاد گروه فیزیک و نجوم دانشکده علوم و هنر. کار ما برخی از اثرات مکانیکی کوانتومی اساسی را برجسته می‌کند که برای سیستم‌های کوانتومی فوتونیک نوظهور در QIST از نانو فوتونیک نیمه‌رسانا تا الکترودینامیک کوانتومی مداری مورد توجه است.


محققان استونی بروک آزمایش‌های خود را با پلتفرمی انجام دادند که دارای اتم‌های فوق‌سرد در یک شبکه نوری بود، منظره‌ای بالقوه مانند جعبه تخم مرغ که توسط امواج ایستاده نور تشکیل شده بود. آنها با استفاده از یک دستگاه خلاء اختصاصی که دارای لیزرهای مختلف و میدان‌های کنترلی است و در دمای نانوکلوین کار می‌کنند، سناریویی را اجرا کردند که در آن اتم‌های محبوس شده در شبکه، ابرهایی از برانگیختگی‌های خلاء ساخته شده از امواج ماده شکننده و ناپدید را «لباس» می‌کنند.

تیم دریافت که در نتیجه، ذرات پلاریتونیک بسیار متحرک تر می شوند. محققان توانستند با تکان دادن آرام شبکه، ساختار درونی خود را مستقیماً بررسی کنند، بنابراین به کمک امواج ماده و تحریک شبکه اتمی دسترسی پیدا کردند. وقتی به تنهایی رها می‌شوند، پلاریتون‌های موج ماده از شبکه عبور می‌کنند، با یکدیگر تعامل می‌کنند و فازهای پایداری از ماده شبه ذره را تشکیل می‌دهند.

اشنبل توضیح می‌دهد: «با آزمایش خود شبیه‌سازی کوانتومی یک سیستم اکسایتون-پلاریتون را در یک رژیم جدید انجام دادیم». تلاش برای انجام چنین کاری analogue’ simulations, which in addition areآنالوگ به این معنا که پارامترهای مربوطه را می توان آزادانه شماره گیری کرد، به خودی خود یک جهت مهم در QIST را تشکیل می دهد.

مرجع: "تشکیل پلاریتون های ماده-موج در یک شبکه نوری" توسط Joonhyuk Kwon، Youngshin Kim، Alfonso Lanuza و Dominik Schneble، 31 مارس 2022، فیزیک طبیعت.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4



تحقیقات Stony Brook شامل دانشجویان فارغ التحصیل Joonhyuk Kwon (در حال حاضر فوق دکترای آزمایشگاه ملی Sandia)، Youngshin Kim و Alfonso Lanuza بود.

این کار توسط بنیاد ملی علوم (Grant # NSF PHY-1912546) با بودجه اضافی از مرکز SUNY برای علوم اطلاعات کوانتومی در لانگ آیلند تامین شد.