Gli scienziati riferiscono la formazione di polaritoni delle onde della materia in un reticolo ottico, una scoperta sperimentale che consente di studiare un paradigma scientifico e tecnologico quantistico centrale attraverso la simulazione quantistica diretta utilizzando atomi ultrafreddi.
La scoperta dei polaritoni delle onde materiche getta nuova luce sulle tecnologie quantistiche fotoniche
La ricerca pubblicata sulla rivista Nature Physics fornisce una nuova piattaforma per la "seconda rivoluzione quantistica".
Lo sviluppo di piattaforme sperimentali che avanzano nel campo della scienza e della tecnologia quantistica (QIST) comporta una serie unica di vantaggi e sfide comuni a qualsiasi tecnologia emergente. I ricercatori della Stony Brook University, guidati da Dominik Schneble, PhD, riportano la formazione di polaritoni di onda materia in un reticolo ottico, una scoperta sperimentale che consente di studiare un paradigma QIST centrale attraverso la simulazione quantistica diretta utilizzando atomi ultrafreddi. Gli scienziati prevedono che le loro nuove quasiparticelle, che imitano i fotoni fortemente interagenti nei materiali e nei dispositivi ma aggirano alcune delle sfide intrinseche, andranno a beneficio dell'ulteriore sviluppo delle piattaforme QIST che sono pronte a rivoluzionare la tecnologia informatica e di comunicazione.
I risultati della ricerca sono dettagliati in un articolo pubblicato sulla rivista Fisica della natura.
Lo studio fa luce sulle proprietà fondamentali dei polaritoni e sui relativi fenomeni a molti corpi, e apre nuove possibilità per gli studi sulla materia quantistica polaritonica.
Una sfida importante nel lavorare con piattaforme QIST basate su fotoni è che, sebbene i fotoni possano essere portatori ideali di informazioni quantistiche, normalmente non interagiscono tra loro. L'assenza di tali interazioni inibisce anche lo scambio controllato di informazioni quantistiche tra di loro. Gli scienziati hanno trovato un modo per aggirare questo problema accoppiando i fotoni a eccitazioni più pesanti nei materiali, formando così polaritoni, ibridi simili a chimere tra luce e materia. Le collisioni tra queste quasiparticelle più pesanti consentono quindi ai fotoni di interagire efficacemente. Ciò può consentire l'implementazione di operazioni di gate quantistico basate su fotoni e, infine, di un'intera infrastruttura QIST.
Tuttavia, una sfida importante è la durata limitata di questi polaritoni basati su fotoni a causa del loro accoppiamento radiativo con l'ambiente, che porta a decadimento spontaneo incontrollato e decoerenza.
Una resa artistica dei risultati della ricerca nello studio del polaritone mostra gli atomi in un reticolo ottico che formano una fase isolante (a sinistra); atomi che si trasformano in polaritoni onda materia tramite accoppiamento sotto vuoto mediato dalla radiazione a microonde rappresentata dal colore verde (centro); i polaritoni diventano mobili e formano una fase superfluida per un forte accoppiamento sotto vuoto (a destra). Credito: Alfonso Lanuza/Schneble Lab/Università Stony Brook.
Secondo Schneble e colleghi, la loro ricerca pubblicata sui polaritoni aggira completamente tali limitazioni causate dal decadimento spontaneo. Gli aspetti fotonici dei loro polaritoni sono interamente trasportati da onde di materia atomica, per le quali tali processi di decadimento indesiderati non esistono. Questa funzione apre l'accesso a regimi di parametri che non sono, o non ancora, accessibili nei sistemi polaritonici basati su fotoni.
"Lo sviluppo della meccanica quantistica ha dominato il secolo scorso e una 'seconda rivoluzione quantistica' verso lo sviluppo di QIST e delle sue applicazioni è ora ben avviata in tutto il mondo, anche in aziende come IBM, Google e Amazon", afferma Schneble, Professore al Dipartimento di Fisica e Astronomia del College of Arts and Sciences. "Il nostro lavoro mette in evidenza alcuni effetti meccanici quantistici fondamentali che sono di interesse per i sistemi quantistici fotonici emergenti in QIST che vanno dalla nanofotonica dei semiconduttori all'elettrodinamica quantistica dei circuiti".
I ricercatori di Stony Brook hanno condotto i loro esperimenti con una piattaforma con atomi ultrafreddi in un reticolo ottico, un potenziale paesaggio simile a una cassa di uova formato da onde di luce stazionarie. Usando un apparato per il vuoto dedicato dotato di vari laser e campi di controllo e operando a una temperatura di nanokelvin, hanno implementato uno scenario in cui gli atomi intrappolati nel reticolo "si vestono" con nuvole di eccitazioni del vuoto fatte di onde di materia fragile ed evanescente.
Il team ha scoperto che, di conseguenza, le particelle polaritoniche diventano molto più mobili. I ricercatori sono stati in grado di sondare direttamente la loro struttura interna scuotendo delicatamente il reticolo, accedendo così ai contributi delle onde di materia e all'eccitazione del reticolo atomico. Se lasciati soli, i polaritoni dell'onda materia saltano attraverso il reticolo, interagiscono tra loro e formano fasi stabili di quasiparticella di materia.
"Con il nostro esperimento abbiamo eseguito una simulazione quantistica di un sistema eccitone-polaritone in un nuovo regime", spiega Schneble. “La ricerca per eseguire tali analogue’ simulations, which in addition areanalog`, nel senso che i parametri rilevanti possono essere liberamente inseriti, costituisce di per sé una direzione importante all'interno di QIST.
Riferimento: "Formazione di polaritoni di onda di materia in un reticolo ottico" di Joonhyuk Kwon, Youngshin Kim, Alfonso Lanuza e Dominik Schneble, 31 marzo 2022, Fisica della natura.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
La ricerca su Stony Brook includeva studenti laureati Joonhyuk Kwon (attualmente post-dottorato presso il Sandia National Laboratory), Youngshin Kim e Alfonso Lanuza.
Il lavoro è stato finanziato dalla National Science Foundation (grant # NSF PHY-1912546) con fondi aggiuntivi dal SUNY Center for Quantum Information Science a Long Island.
