Tutkijat raportoivat aine-aaltopolaritonien muodostumisesta optisessa hilassa, kokeellisessa löydössä, joka mahdollistaa keskeisen kvanttitieteen ja -teknologian paradigman tutkimisen suoralla kvanttisimulaatiolla ultrakylmiä atomeja käyttämällä.
Aine-aaltopolaritonien löytäminen antaa uutta valoa fotonisille kvanttitekniikoille
Nature Physics -lehdessä julkaistu tutkimus tarjoaa uuden alustan "toiselle kvanttivallankumoukselle".
Kvanttitieteen ja -teknologian (QIST) alaa edistävien kokeellisten alustojen kehittäminen tuo mukanaan ainutlaatuisia etuja ja haasteita, jotka ovat yhteisiä kaikille nousevalle teknologialle. Stony Brookin yliopiston tutkijat, PhD Dominik Schneblen johtamana, raportoivat aine-aaltopolaritonien muodostumisesta optisessa hilassa, kokeellisessa löydössä, joka mahdollistaa keskeisen QIST-paradigman tutkimisen suoran kvanttisimuloinnin avulla ultrakylmiä atomeja käyttämällä. Tutkijat arvioivat, että heidän uudet kvasihiukkaset, jotka jäljittelevät voimakkaasti vuorovaikutuksessa olevia fotoneja materiaaleissa ja laitteissa, mutta kiertävät osan luontaisista haasteista, hyödyttävät QIST-alustojen jatkokehitystä, jotka ovat valmiita mullistamaan tietojenkäsittely- ja viestintäteknologian.
Tutkimustulokset on kerrottu tarkemmin lehdessä julkaistussa artikkelissa Luontofysiikka.
Tutkimus valaisee polaritonien perusominaisuuksia ja niihin liittyviä monikappaleilmiöitä ja avaa uusia mahdollisuuksia polaritonisen kvanttiaineen tutkimuksiin.
Tärkeä haaste fotonipohjaisten QIST-alustojen kanssa työskentelyssä on, että vaikka fotonit voivat olla ihanteellisia kvanttiinformaation kantajia, ne eivät normaalisti ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Tällaisten vuorovaikutusten puuttuminen estää myös kvanttitiedon hallittua vaihtoa niiden välillä. Tiedemiehet ovat löytäneet tavan kiertää tämä kytkemällä fotonit materiaalien raskaampiin viritteisiin, jolloin muodostuu polaritoneja, kimeerien kaltaisia hybridejä valon ja aineen välille. Näiden raskaampien kvasihiukkasten väliset törmäykset mahdollistavat sitten fotonien tehokkaan vuorovaikutuksen. Tämä voi mahdollistaa fotonipohjaisten kvanttiporttitoimintojen ja lopulta koko QIST-infrastruktuurin toteuttamisen.
Suurin haaste on kuitenkin näiden fotonipohjaisten polaritonien rajallinen elinikä, joka johtuu niiden säteilykytkemisestä ympäristöön, mikä johtaa hallitsemattomaan spontaaniin hajoamiseen ja dekoherenssiin.
Polaritonitutkimuksen tutkimustulosten taiteellinen esitys osoittaa, että atomit optisessa hilassa muodostavat eristävän faasin (vas.); atomit muuttuvat aine-aaltopolaritoneiksi mikroaaltosäteilyn välittämän tyhjökytkennän kautta, jota edustaa vihreä väri (keskus); polaritonit muuttuvat liikkuviksi ja muodostavat supernestefaasin vahvaa tyhjiökytkentää varten (oikealla). Luotto: Alfonso Lanuza / Schneble Lab / Stony Brook University.
Schneblen ja kollegoiden mukaan heidän julkaistu polaritonitutkimus kiertää tällaiset spontaanin rappeutumisen aiheuttamat rajoitukset kokonaan. Niiden polaritonien fotoninäkökohdat kantavat kokonaan atomiaineaallot, joille ei ole olemassa sellaisia ei-toivottuja hajoamisprosesseja. Tämä ominaisuus avaa pääsyn parametrijärjestelmiin, jotka eivät ole tai eivät vielä ole käytettävissä fotonipohjaisissa polaritonisissa järjestelmissä.
"Kvanttimekaniikan kehitys on dominoinut viime vuosisadalla, ja "toinen kvanttivallankumous" kohti QIST:n ja sen sovellusten kehitystä on nyt hyvässä vauhdissa ympäri maailmaa, myös sellaisissa yrityksissä kuin IBM, Google ja Amazon", Schneble sanoo. Taide- ja tiedeakatemian fysiikan ja tähtitieteen laitoksen professori. "Työmme korostaa joitakin perustavanlaatuisia kvanttimekaanisia vaikutuksia, jotka kiinnostavat QIST:n uusia fotonisia kvanttijärjestelmiä puolijohteen nanofotoniikasta piirien kvanttielektrodynamiikkaan."
Stony Brookin tutkijat suorittivat kokeensa alustalla, jossa oli ultrakylmiä atomeja optisessa hilassa, munalaatikon kaltaisessa potentiaalisessa maisemassa, joka muodostuu seisovista valon aalloista. Käyttämällä erityistä tyhjiölaitetta, jossa on erilaisia lasereita ja ohjauskenttiä ja jotka toimivat nanokelvinin lämpötilassa, he toteuttivat skenaarion, jossa hilaan loukkuun jääneet atomit "pukeutuvat" hauraista, haihtuvista aineaalloista koostuvilla tyhjiövirityspilvellä.
Ryhmä havaitsi, että tämän seurauksena polaritonisista hiukkasista tulee paljon liikkuvampia. Tutkijat pystyivät suoraan tutkimaan niiden sisäistä rakennetta ravistamalla hilaa varovasti, jolloin he pääsivät käsiksi aineaaltojen ja atomihilan virityksen vaikutuksiin. Yksin jätettynä aine-aaltopolaritonit hyppäävät hilan läpi, ovat vuorovaikutuksessa keskenään ja muodostavat stabiileja kvasihiukkasaineen faaseja.
"Kokeellamme suoritimme eksitoni-polaritonijärjestelmän kvantisimulaation uudessa järjestelmässä", selittää Schneble. "Yritys suorittaa sellainen analogue’ simulations, which in addition areanaloginen" siinä mielessä, että asiaankuuluvat parametrit voidaan valita vapaasti, se itsessään muodostaa tärkeän suunnan QIST:ssä."
Viite: Joonhyuk Kwon, Youngshin Kim, Alfonso Lanuza ja Dominik Schneble "Aine-aaltopolaritonien muodostuminen optisessa hilassa", 31. maaliskuuta 2022, Luontofysiikka.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
Stony Brook -tutkimukseen kuuluivat jatko-opiskelijat Joonhyuk Kwon (tällä hetkellä postdoc Sandia National Laboratoryssa), Youngshin Kim ja Alfonso Lanuza.
Työn rahoitti National Science Foundation (apuraha # NSF PHY-1912546) lisävaroilla Long Islandin kvanttitietotieteen SUNY-keskukselta.
