Znanstveniki poročajo o tvorbi polaritonov snovi in valov v optični mreži, eksperimentalnem odkritju, ki omogoča študije osrednje kvantne znanstvene in tehnološke paradigme z neposredno kvantno simulacijo z uporabo ultrahladnih atomov.
Odkritje polaritonov materije in valovanja osvetljuje fotonske kvantne tehnologije
Raziskave, objavljene v reviji Nature Physics, zagotavljajo novo platformo za "drugo kvantno revolucijo".
Razvoj eksperimentalnih platform, ki napredujejo na področju kvantne znanosti in tehnologije (QIST), prinaša edinstven nabor prednosti in izzivov, ki so skupni vsaki nastajajoči tehnologiji. Raziskovalci na Univerzi Stony Brook, ki jih vodi dr. Dominik Schneble, poročajo o nastanku polaritonov snovi in valov v optični mreži, eksperimentalnem odkritju, ki omogoča študije osrednje paradigme QIST z neposredno kvantno simulacijo z uporabo ultrahladnih atomov. Znanstveniki predvidevajo, da bodo njihovi novi kvazidelci, ki posnemajo močno medsebojno delujoče fotone v materialih in napravah, vendar zaobidejo nekatere inherentne izzive, koristili nadaljnjemu razvoju platform QIST, ki so pripravljene revolucionirati računalniško in komunikacijsko tehnologijo.
Ugotovitve raziskave so podrobno opisane v prispevku, objavljenem v reviji Naravna fizika.
Študija osvetljuje temeljne lastnosti polaritona in s tem povezane pojave številnih teles ter odpira nove možnosti za študije polaritonske kvantne snovi.
Pomemben izziv pri delu s platformami QIST, ki temeljijo na fotonih, je, da so fotoni lahko idealni nosilci kvantnih informacij, vendar običajno ne medsebojno delujejo. Odsotnost takšnih interakcij zavira tudi nadzorovano izmenjavo kvantnih informacij med njimi. Znanstveniki so našli način za to, tako da so fotone povezali s težjimi vzbujanji v materialih in tako tvorili polaritone, himere podobne hibride med svetlobo in snovjo. Trki med temi težjimi kvazidelci nato omogočijo fotonom učinkovito interakcijo. To lahko omogoči izvajanje operacij kvantnih vrat na osnovi fotonov in sčasoma celotne infrastrukture QIST.
Vendar pa je velik izziv omejena življenjska doba teh polaritonov na osnovi fotonov zaradi njihove sevalne vezave z okoljem, kar vodi do nenadzorovanega spontanega razpada in dekoherence.
Umetniški prikaz izsledkov raziskave v študiji polaritona prikazuje atome v optični mreži, ki tvorijo izolacijsko fazo (levo); atomi, ki se spreminjajo v polaritone snovi in valov z vakuumsko sklopko, ki jo posreduje mikrovalovno sevanje, predstavljeno z zeleno barvo (središče); polaritoni, ki postanejo mobilni in tvorijo superfluidno fazo za močno vakuumsko sklopko (desno). Zasluge: Alfonso Lanuza/Schneble Lab/Univerza Stony Brook.
Po mnenju Schnebleja in sodelavcev njihova objavljena raziskava polaritonov popolnoma zaobide takšne omejitve, ki jih povzroča spontani razpad. Fotonske vidike njihovih polaritonov v celoti prenašajo valovi atomske snovi, za katere takšni neželeni procesi razpadanja ne obstajajo. Ta funkcija odpira dostop do režimov parametrov, ki niso ali še niso dostopni v polaritonskih sistemih, ki temeljijo na fotonih.
»Razvoj kvantne mehanike je prevladoval v prejšnjem stoletju in 'druga kvantna revolucija' v smeri razvoja QIST in njegovih aplikacij je zdaj v polnem teku po vsem svetu, tudi v korporacijah, kot so IBM, Google in Amazon,« pravi Schneble, profesor na Oddelku za fiziko in astronomijo na Visoki šoli za umetnost in znanost. "Naše delo poudarja nekatere temeljne kvantno mehanske učinke, ki so zanimivi za nastajajoče fotonske kvantne sisteme v QIST, od polprevodniške nanofotonike do kvantne elektrodinamike vezja."
Raziskovalci Stony Brooka so izvedli svoje poskuse s platformo, ki vsebuje ultrahladne atome v optični rešetki, potencialno pokrajino, podobno zaboju jajc, ki jo tvorijo stoječi svetlobni valovi. Z uporabo namenskega vakuumskega aparata, ki vsebuje različne laserje in krmilna polja ter deluje pri temperaturi nanokelvina, so izvedli scenarij, v katerem se atomi, ujeti v rešetko, »oblečejo« z oblaki vakuumskih vzbujanja, narejenimi iz krhkih, minevalnih valovanja snovi.
Ekipa je ugotovila, da posledično polaritonski delci postanejo veliko bolj mobilni. Raziskovalci so lahko neposredno sondirali njihovo notranjo strukturo z nežnim stresanjem rešetke in tako dostopali do prispevkov valovanja snovi in vzbujanja atomske mreže. Ko ostanejo sami, polaritoni snov-val skačejo skozi mrežo, medsebojno delujejo in tvorijo stabilne faze snovi kvazidelcev.
"Z našim eksperimentom smo izvedli kvantno simulacijo ekscitonsko-polaritonskega sistema v novem režimu," pojasnjuje Schneble. »Prizadevanje za izvedbo takega analogue’ simulations, which in addition areanalogni` v smislu, da je mogoče ustrezne parametre prosto izbirati, sam po sebi predstavlja pomembno usmeritev znotraj QIST.
Referenca: "Tvorba polaritonov snovi in valov v optični mreži" Joonhyuk Kwon, Youngshin Kim, Alfonso Lanuza in Dominik Schneble, 31. marec 2022, Naravna fizika.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
Raziskava Stony Brooka je vključevala podiplomske študente Joonhyuka Kwona (trenutno postdoktor na Nacionalnem laboratoriju Sandia), Youngshina Kima in Alfonsa Lanuza.
Delo je financirala Nacionalna znanstvena fundacija (grant # NSF PHY-1912546) z dodatnimi sredstvi SUNY Centra za kvantno informacijsko znanost na Long Islandu.
