Научниците известуваат за формирање на поларитони од материја-бранови во оптичка решетка, експериментално откритие што овозможува проучување на централната квантна наука и технолошка парадигма преку директна квантна симулација со помош на ултраладни атоми.
Откривањето на поларитоните на материјата-бранови фрла нова светлина врз фотониските квантни технологии
Истражувањето објавено во списанието Nature Physics обезбедува нова платформа за „втората квантна револуција“.
Развојот на експериментални платформи кои го унапредуваат полето на квантната наука и технологија (QIST) доаѓа со уникатен сет на предности и предизвици заеднички за секоја нова технологија. Истражувачите од Универзитетот Стони Брук, предводени од д-р Доминик Шнебле, известуваат за формирање на поларитони од материја-бранови во оптичка решетка, експериментално откритие што дозволува проучување на централната парадигма QIST преку директна квантна симулација со помош на ултраладни атоми. Научниците предвидуваат дека нивните нови квазичестички, кои имитираат силно интерактивни фотони во материјалите и уредите, но заобиколуваат некои од вродените предизвици, ќе имаат корист од понатамошниот развој на платформите QIST кои се подготвени да ја револуционизираат компјутерската и комуникациската технологија.
Наодите од истражувањето се детализирани во труд објавен во списанието Физика на природата.
Студијата фрла светлина на основните својства на поларитон и поврзаните феномени на многу тела и отвора нови можности за проучување на поларитонската квантна материја.
Важен предизвик во работата со QIST платформи базирани на фотони е тоа што иако фотоните можат да бидат идеални носители на квантни информации, тие вообичаено не комуницираат едни со други. Отсуството на такви интеракции, исто така, ја инхибира контролираната размена на квантни информации меѓу нив. Научниците најдоа начин да го заобиколат ова со спојување на фотоните со потешки возбудувања во материјалите, со што формираа поларитони, хибриди слични на химери помеѓу светлината и материјата. Судирите меѓу овие потешки квазичестички потоа овозможуваат ефективно интеракција на фотоните. Ова може да овозможи имплементација на операции на квантна порта базирана на фотони и на крајот на цела QIST инфраструктура.
Сепак, голем предизвик е ограничениот животен век на овие поларитони базирани на фотони поради нивното радијативно спојување со околината, што доведува до неконтролирано спонтано распаѓање и декохерентност.
Уметничко прикажување на наодите од истражувањето во студијата за поларитон ги прикажува атомите во оптичка решетка што формира изолациона фаза (лево); атомите се претвораат во материја-бранови поларитони преку вакуумска спојка посредувана од микробранова радијација претставена со зелена боја (центар); поларитоните стануваат мобилни и формираат суперфлуидна фаза за силна вакуумска спојка (десно). Кредит: Алфонсо Лануза/Шнебле Лаб/Универзитет Стони Брук.
Според Шнебле и колегите, нивното објавено истражување за поларитон целосно ги заобиколува таквите ограничувања предизвикани од спонтано распаѓање. Фотонските аспекти на нивните поларитони целосно се носат со бранови на атомска материја, за кои такви несакани процеси на распаѓање не постојат. Оваа функција отвора пристап до режими на параметри кои не се или сè уште не се достапни во поларитонските системи базирани на фотони.
„Развојот на квантната механика доминираше во минатиот век, а „втората квантна револуција“ кон развојот на QIST и неговите апликации сега е во тек низ целиот свет, вклучително и во корпорации како IBM, Google и Amazon“, вели Шнебле. професор на Катедрата за физика и астрономија на Колеџот за уметности и науки. „Нашата работа нагласува некои фундаментални квантни механички ефекти кои се од интерес за појавните фотонски квантни системи во QIST, кои се движат од полупроводничка нанофотоника до квантна електродинамика на кола.
Истражувачите од Стони Брук ги спроведоа своите експерименти со платформа која содржи ултраладни атоми во оптичка решетка, потенцијален пејзаж сличен на гајба од јајца, формиран од стоечки бранови на светлина. Користејќи наменски вакуумски апарат со различни ласери и контролни полиња и кои работат на нанокелвинска температура, тие имплементираа сценарио во кое атомите заробени во решетката се „облекуваат“ со облаци од вакуумски возбудувања направени од кревки, минливи материја бранови.
Тимот откри дека, како резултат на тоа, поларитонските честички стануваат многу поподвижни. Истражувачите можеа директно да ја испитаат нивната внатрешна структура со нежно тресење на решетката, со што пристапија до придонесите на брановите на материјата и возбудувањето на атомската решетка. Кога ќе останат сами, поларитоните на материјата-бранови скокаат низ решетката, комуницираат едни со други и формираат стабилни фази на квазичестичка материја.
„Со нашиот експеримент извршивме квантна симулација на ексцитон-поларитонски систем во нов режим“, објаснува Шнебле. „Потрагата да се изврши такво analogue’ simulations, which in addition areаналоген` во смисла дека релевантните параметри може слободно да се бираат, сам по себе претставува важна насока во QIST.
Референца: „Формирање на поларитони на материја-бранови во оптичка решетка“ од Јонхјук Квон, Јангшин Ким, Алфонсо Лануза и Доминик Шнебле, 31 март 2022 година, Физика на природата.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
Истражувањето на Стони Брук ги опфати дипломираните студенти Џонхјук Квон (моментално постдоктор во националната лабораторија Сандија), Јангшин Ким и Алфонсо Лануза.
Работата беше финансирана од Националната научна фондација (грант # NSF PHY-1912546) со дополнителни средства од SUNY Центарот за квантна информациска наука на Лонг Ајленд.
