Znanstvenici izvještavaju o stvaranju polaritona materije i valova u optičkoj rešetki, što je eksperimentalno otkriće koje omogućuje proučavanje središnje kvantne znanstvene i tehnološke paradigme putem izravne kvantne simulacije pomoću ultrahladnih atoma.
Otkriće polaritona materije i valova baca novo svjetlo na fotonske kvantne tehnologije
Istraživanje objavljeno u časopisu Nature Physics pruža novu platformu za 'drugu kvantnu revoluciju'.
Razvoj eksperimentalnih platformi koje unapređuju polje kvantne znanosti i tehnologije (QIST) dolazi s jedinstvenim skupom prednosti i izazova zajedničkih svakoj novoj tehnologiji. Istraživači sa Sveučilišta Stony Brook, predvođeni dr. Dominikom Schnebleom, izvještavaju o formiranju polaritona materije i valova u optičkoj rešetki, što je eksperimentalno otkriće koje dopušta proučavanje središnje QIST paradigme putem izravne kvantne simulacije korištenjem ultrahladnih atoma. Znanstvenici predviđaju da će njihove nove kvazičestice, koje oponašaju snažne interakcije fotona u materijalima i uređajima, ali zaobilaze neke od inherentnih izazova, koristiti daljnjem razvoju QIST platformi koje su spremne revolucionirati računalnu i komunikacijsku tehnologiju.
Rezultati istraživanja su detaljno opisani u radu objavljenom u časopisu Fizika prirode.
Studija baca svjetlo na temeljna svojstva polaritona i povezane fenomene mnogih tijela, te otvara nove mogućnosti za proučavanje polaritonske kvantne materije.
Važan izazov u radu s QIST platformama baziranim na fotonima jest taj što fotoni mogu biti idealni nositelji kvantnih informacija, oni inače ne komuniciraju jedni s drugima. Odsutnost takvih interakcija također inhibira kontroliranu razmjenu kvantnih informacija između njih. Znanstvenici su pronašli način da to zaobiđu spajanjem fotona s težim uzbuđenjima u materijalima, formirajući tako polaritone, hibride nalik himeri između svjetlosti i materije. Sudari između ovih težih kvazičestica tada omogućuju fotonima učinkovitu interakciju. To može omogućiti implementaciju operacija kvantnih vrata temeljenih na fotonu i na kraju cijele QIST infrastrukture.
Međutim, veliki izazov je ograničen životni vijek ovih polaritona baziranih na fotonima zbog njihovog radijacijskog spajanja s okolinom, što dovodi do nekontroliranog spontanog raspada i dekoherencije.
Umjetnički prikaz rezultata istraživanja u studiji polaritona prikazuje atome u optičkoj rešetki koji tvore izolacijsku fazu (lijevo); atomi koji se pretvaraju u polaritone materija-val putem vakuumskog spajanja posredovanog mikrovalnim zračenjem predstavljenim zelenom bojom (središte); polaritoni postaju pokretni i tvore superfluidnu fazu za jaku vakuumsku spregu (desno). Zasluge: Alfonso Lanuza/Schneble Lab/Sveučilište Stony Brook.
Prema Schnebleu i kolegama, njihovo objavljeno istraživanje polaritona u potpunosti zaobilazi takva ograničenja uzrokovana spontanim raspadom. Fotonski aspekti njihovih polaritona u potpunosti su nošeni valovima atomske tvari, za koje takvi neželjeni procesi raspadanja ne postoje. Ova značajka otvara pristup režimima parametara koji nisu ili još nisu dostupni u polaritoničkim sustavima temeljenim na fotonima.
"Razvoj kvantne mehanike dominirao je prošlim stoljećem, a 'druga kvantna revolucija' prema razvoju QIST-a i njegovih aplikacija sada je uvelike u tijeku diljem svijeta, uključujući korporacije kao što su IBM, Google i Amazon", kaže Schneble, profesor na Odsjeku za fiziku i astronomiju na Visokoj školi za umjetnost i znanost. “Naš rad ističe neke temeljne kvantnomehaničke efekte koji su od interesa za fotonske kvantne sustave u QIST-u u rasponu od poluvodičke nanofotonike do kvantne elektrodinamike kruga.”
Istraživači Stony Brooka proveli su svoje eksperimente s platformom koja sadrži ultrahladne atome u optičkoj rešetki, potencijalni krajolik nalik na sanduk jaja formiran od stajaćih valova svjetlosti. Koristeći namjenski vakuumski aparat s različitim laserima i kontrolnim poljima i koji radi na temperaturi nanokelvina, implementirali su scenarij u kojem se atomi zarobljeni u rešetki "oblače" s oblacima vakuumskih pobuda napravljenih od krhkih, nestalnih valova materije.
Tim je otkrio da, kao rezultat, polaritonske čestice postaju mnogo pokretljivije. Istraživači su bili u mogućnosti izravno ispitati njihovu unutarnju strukturu laganim potresanjem rešetke, pristupajući tako doprinosima valova materije i pobuđivanju atomske rešetke. Kada se ostave sami, polaritoni materija-val skaču kroz rešetku, međusobno djeluju i tvore stabilne faze kvazičestične materije.
"S našim eksperimentom izveli smo kvantnu simulaciju eksciton-polaritonskog sustava u novom režimu", objašnjava Schneble. “Potraga za takvim izvođenjem analogue’ simulations, which in addition areanalogni` u smislu da se relevantni parametri mogu slobodno birati, sam po sebi predstavlja važan smjer unutar QIST-a.”
Referenca: “Formiranje polaritona materije-val u optičkoj rešetki” Joonhyuk Kwon, Youngshin Kim, Alfonso Lanuza i Dominik Schneble, 31. ožujka 2022., Fizika prirode.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
Istraživanje Stony Brooka uključivalo je studente diplomskog studija Joonhyuk Kwon (trenutačno postdoktor na Sandia National Laboratory), Youngshin Kim i Alfonso Lanuza.
Rad je financirala Nacionalna zaklada za znanost (grant # NSF PHY-1912546) uz dodatna sredstva SUNY Centra za kvantne informacijske znanosti na Long Islandu.
