科学者たちは、光格子における物質波ポラリトンの形成を報告しています。これは、極低温原子を使用した直接量子シミュレーションを通じて、中心的な量子科学と技術のパラダイムの研究を可能にする実験的発見です。
物質波ポラリトンの発見がフォトニック量子技術に新たな光を当てる
ジャーナルNaturePhysicsに掲載された研究は、「第XNUMXの量子革命」のための新しいプラットフォームを提供します。
量子科学技術（QIST）の分野を前進させる実験プラットフォームの開発には、あらゆる新興技術に共通する独自の利点と課題が伴います。 ドミニクシュネブル博士が率いるストーニーブルック大学の研究者は、光格子における物質波ポラリトンの形成を報告しています。これは、極低温原子を使用した直接量子シミュレーションを通じて中央QISTパラダイムの研究を可能にする実験的発見です。 科学者たちは、材料やデバイスで強く相互作用する光子を模倣するが、固有の課題のいくつかを回避する新しい準粒子が、コンピューティングおよび通信技術に革命を起こす準備ができているQISTプラットフォームのさらなる開発に役立つと予測しています。
研究結果は、ジャーナルに掲載された論文で詳しく説明されています 自然物理学.
この研究は、基本的なポラリトン特性と関連する多体現象に光を当て、ポラリトニクス量子物質の研究に新たな可能性を開きます。
光子ベースのQISTプラットフォームを使用する際の重要な課題は、光子は量子情報の理想的なキャリアである可能性がありますが、通常は相互に作用しないことです。 そのような相互作用の欠如はまた、それらの間の量子情報の制御された交換を阻害します。 科学者たちは、光子を材料のより重い励起に結合し、光と物質の間にキメラのようなハイブリッドであるポラリトンを形成することによって、これを回避する方法を発見しました。 これらのより重い準粒子間の衝突により、光子が効果的に相互作用することが可能になります。 これにより、光子ベースの量子ゲート操作の実装が可能になり、最終的にはQISTインフラストラクチャ全体の実装が可能になります。
ただし、主要な課題は、環境への放射結合によるこれらの光子ベースのポラリトンの寿命の制限であり、制御されていない自然崩壊とデコヒーレンスにつながります。
ポラリトン研究の研究結果を芸術的に表現すると、光格子内の原子が絶縁相を形成していることがわかります（左）。 緑色で表されるマイクロ波放射によって媒介される真空結合を介して物質波ポラリトンに変わる原子（中央）。 ポラリトンは可動性になり、強力な真空結合のための超流動相を形成します（右）。 クレジット：Alfonso Lanuza / Schneble Lab /StonyBrookUniversity。
Schnebleと同僚によると、彼らの発表されたポラリトン研究は、自発的な崩壊によって引き起こされるそのような制限を完全に回避しています。 それらのポラリトンの光子の側面は、そのような望ましくない崩壊過程が存在しない原子物質波によって完全に運ばれます。 この機能は、光子ベースのポラリトニクスシステムではアクセスできない、またはまだアクセスできないパラメータレジームへのアクセスを開きます。
「量子力学の開発は前世紀を支配しており、QISTとそのアプリケーションの開発に向けた「第XNUMXの量子革命」は現在、IBM、Google、Amazonなどの企業を含む世界中で順調に進んでいます」とSchneble氏は述べています。芸術科学部の物理学と天文学の教授。 「私たちの研究は、半導体ナノフォトニクスから回路量子電気力学に至るまで、QISTの創発的フォトニック量子システムに関心のあるいくつかの基本的な量子力学的効果を浮き彫りにしています。」
ストーニーブルックの研究者は、光格子内の極低温原子を特徴とするプラットフォームを使用して実験を行いました。これは、定在波の光によって形成される卵箱のような潜在的な風景です。 さまざまなレーザーと制御フィールドを備え、ナノケルビン温度で動作する専用の真空装置を使用して、格子に閉じ込められた原子が壊れやすいエバネセント物質波でできた真空励起の雲で「ドレス」するシナリオを実装しました。
チームは、その結果、ポラリトニック粒子がはるかに移動しやすくなることを発見しました。 研究者たちは、格子を穏やかに振ることによって内部構造を直接調べることができ、それによって物質波と原子格子励起の寄与にアクセスすることができました。 放っておくと、物質波ポラリトンは格子を飛び越え、互いに相互作用し、準粒子物質の安定した相を形成します。
「私たちの実験では、新しいレジームで励起子-ポラリトンシステムの量子シミュレーションを実行しました」とSchneble氏は説明します。 「そのようなことを実行するための探求 analogue’ simulations, which in addition are関連するパラメータを自由にダイヤルインできるという意味でのアナログは、それ自体がQIST内の重要な方向性を構成します。」
参考：「光格子における物質波ポラリトンの形成」、Joonhyuk Kwon、Youngshin Kim、Alfonso Lanuza、Dominik Schneble、31年2022月XNUMX日、 自然物理学.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
ストーニーブルックの研究には、大学院生のジュンヒョククォン（現在はサンディア国立研究所のポスドク）、キム・ヨンシン、アルフォンソ・ラヌザが含まれていました。
この作業は、国立科学財団（助成金番号NSF PHY-1912546）によって資金提供され、ロングアイランドのSUNY量子情報科学センターから追加の資金が提供されました。
