Os científicos informan da formación de polaritóns de ondas de materia nunha rede óptica, un descubrimento experimental que permite estudar un paradigma central de ciencia e tecnoloxía cuántica mediante a simulación cuántica directa utilizando átomos ultrafríos.
O descubrimento de polaritóns de ondas de materia arroxa nova luz sobre as tecnoloxías cuánticas fotónicas
A investigación publicada na revista Nature Physics proporciona unha nova plataforma para a "segunda revolución cuántica".
O desenvolvemento de plataformas experimentais que avanzan no campo da ciencia e tecnoloxía cuánticas (QIST) vén cun conxunto único de vantaxes e desafíos comúns a calquera tecnoloxía emerxente. Os investigadores da Universidade de Stony Brook, dirixidos polo doutor Dominik Schneble, informan da formación de polaritóns de ondas de materia nunha rede óptica, un descubrimento experimental que permite estudos dun paradigma QIST central mediante a simulación cuántica directa utilizando átomos ultrafríos. Os científicos proxectan que as súas novas cuasipartículas, que imitan fotóns que interactúan fortemente en materiais e dispositivos pero evitan algúns dos desafíos inherentes, beneficiarán o desenvolvemento das plataformas QIST que están a punto de revolucionar a informática e a tecnoloxía de comunicación.
Os resultados da investigación detállanse nun artigo publicado na revista Física da Natureza.
O estudo arroxa luz sobre as propiedades fundamentais do polaritón e os fenómenos relacionados con moitos corpos, e abre novas posibilidades para os estudos da materia cuántica polaritónica.
Un reto importante ao traballar con plataformas QIST baseadas en fotóns é que, aínda que os fotóns poden ser portadores ideais de información cuántica, normalmente non interactúan entre si. A ausencia de tales interaccións tamén inhibe o intercambio controlado de información cuántica entre eles. Os científicos atoparon un xeito de evitar isto acoplando os fotóns a excitacións máis pesadas nos materiais, formando así polaritóns, híbridos parecidos a quimeras entre a luz e a materia. As colisións entre estas cuasipartículas máis pesadas fan posible que os fotóns interactúen de forma efectiva. Isto pode permitir a implementación de operacións de portas cuánticas baseadas en fotóns e, eventualmente, de toda unha infraestrutura QIST.
Non obstante, un gran desafío é a limitada vida útil destes polaritóns baseados en fotóns debido ao seu acoplamento radiativo ao medio ambiente, o que leva a unha desintegración e decoherencia espontáneas incontroladas.
Unha representación artística dos resultados da investigación no estudo polaritón mostra os átomos nunha rede óptica formando unha fase illante (esquerda); átomos converténdose en polaritóns de ondas de materia mediante un acoplamento ao baleiro mediado pola radiación de microondas representada pola cor verde (centro); os polaritóns fanse móbiles e forman unha fase superfluída para un forte acoplamento ao baleiro (dereita). Créditos: Alfonso Lanuza/Schneble Lab/Stony Brook University.
Segundo Schneble e colegas, a súa investigación polariton publicada elude por completo esas limitacións causadas pola descomposición espontánea. Os aspectos fotónicos dos seus polaritóns son transportados enteiramente por ondas de materia atómica, para as que non existen tales procesos de desintegración non desexados. Esta característica abre o acceso a réximes de parámetros que non son, ou aínda non, accesibles en sistemas polaritónicos baseados en fotóns.
"O desenvolvemento da mecánica cuántica dominou o século pasado, e unha 'segunda revolución cuántica' cara ao desenvolvemento de QIST e as súas aplicacións está agora en marcha en todo o mundo, incluso en corporacións como IBM, Google e Amazon", di Schneble. un profesor do Departamento de Física e Astronomía da Facultade de Artes e Ciencias. "O noso traballo destaca algúns efectos fundamentais da mecánica cuántica que son de interese para os sistemas cuánticos fotónicos emerxentes en QIST que van desde a nanofotónica de semicondutores ata a electrodinámica cuántica de circuítos".
Os investigadores de Stony Brook realizaron os seus experimentos cunha plataforma que presenta átomos ultrafríos nunha rede óptica, unha paisaxe potencial semellante a unha caixa de ovos formada por ondas de luz estacionarias. Usando un aparato de baleiro dedicado con varios láseres e campos de control e operando a temperatura de nanokelvin, implementaron un escenario no que os átomos atrapados na rede "se visten" con nubes de excitacións de baleiro feitas de ondas de materia fráxiles e evanescentes.
O equipo descubriu que, como resultado, as partículas polaritónicas fanse moito máis móbiles. Os investigadores puideron sondar directamente a súa estrutura interna axitando suavemente a rede, accedendo así ás contribucións das ondas de materia e á excitación da rede atómica. Cando se deixan sós, os polaritóns da onda de materia saltan pola rede, interactúan entre si e forman fases estables de materia cuasipartícula.
"Co noso experimento realizamos unha simulación cuántica dun sistema de excitón-polaritón nun réxime novo", explica Schneble. "A procura de realizar tal analogue’ simulations, which in addition areanalóxico no sentido de que os parámetros relevantes poden marcarse libremente, constitúe por si só unha dirección importante dentro de QIST".
Referencia: "Formation of matter-wave polaritons in an optical lattice" de Joonhyuk Kwon, Youngshin Kim, Alfonso Lanuza e Dominik Schneble, 31 de marzo de 2022, Física da Natureza.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
A investigación de Stony Brook incluíu estudantes de posgrao Joonhyuk Kwon (actualmente posdoctorado no Sandia National Laboratory), Youngshin Kim e Alfonso Lanuza.
O traballo foi financiado pola National Science Foundation (grant # NSF PHY-1912546) con fondos adicionais do SUNY Center for Quantum Information Science en Long Island.
