Forskare rapporterar bildandet av materiavågspolaritoner i ett optiskt gitter, en experimentell upptäckt som möjliggör studier av ett centralt kvantvetenskaps- och teknikparadigm genom direkt kvantsimulering med ultrakalla atomer.
Upptäckten av Matter-Wave Polaritons kastar nytt ljus över fotonisk kvantteknologi
Forskning publicerad i tidskriften Nature Physics ger en ny plattform för den "andra kvantrevolutionen."
Utvecklingen av experimentella plattformar som främjar området kvantvetenskap och teknik (QIST) kommer med en unik uppsättning fördelar och utmaningar som är gemensamma för all framväxande teknologi. Forskare vid Stony Brook University, under ledning av Dominik Schneble, PhD, rapporterar bildandet av materiavågspolaritoner i ett optiskt gitter, en experimentell upptäckt som tillåter studier av ett centralt QIST-paradigm genom direkt kvantsimulering med ultrakalla atomer. Forskarna räknar med att deras nya kvasipartiklar, som efterliknar starkt interagerande fotoner i material och enheter men kringgår några av de inneboende utmaningarna, kommer att gynna den fortsatta utvecklingen av QIST-plattformar som är redo att revolutionera dator- och kommunikationsteknik.
Forskningsresultaten beskrivs i en artikel publicerad i tidskriften Naturfysik.
Studien belyser grundläggande polaritonegenskaper och relaterade fenomen med många kroppar, och den öppnar nya möjligheter för studier av polaritonisk kvantmateria.
En viktig utmaning i arbetet med fotonbaserade QIST-plattformar är att även om fotoner kan vara idealiska bärare av kvantinformation så interagerar de normalt inte med varandra. Frånvaron av sådana interaktioner hämmar också det kontrollerade utbytet av kvantinformation mellan dem. Forskare har hittat en väg runt detta genom att koppla fotonerna till tyngre excitationer i material och på så sätt bilda polaritoner, chimärliknande hybrider mellan ljus och materia. Kollisioner mellan dessa tyngre kvasipartiklar gör det sedan möjligt för fotonerna att effektivt interagera. Detta kan möjliggöra implementering av fotonbaserade kvantgrindoperationer och så småningom av en hel QIST-infrastruktur.
En stor utmaning är dock den begränsade livslängden för dessa fotonbaserade polaritoner på grund av deras strålningskoppling till miljön, vilket leder till okontrollerat spontant förfall och dekoherens.
En konstnärlig återgivning av forskningsresultaten i polaritonstudien visar atomerna i ett optiskt gitter som bildar en isolerande fas (vänster); atomer som förvandlas till materiavågpolaritoner via vakuumkoppling medierad av mikrovågsstrålning representerad av den gröna färgen (mitten); polaritoner som blir rörliga och bildar en superfluid fas för stark vakuumkoppling (höger). Kredit: Alfonso Lanuza/Schneble Lab/Stony Brook University.
Enligt Schneble och kollegor kringgår deras publicerade polaritonforskning sådana begränsningar som orsakas av spontant förfall helt. Fotonaspekterna av deras polaritoner bärs helt av atomära materiavågor, för vilka sådana oönskade sönderfallsprocesser inte existerar. Denna funktion öppnar åtkomst till parameterregimer som inte är, eller ännu inte, tillgängliga i fotonbaserade polaritonsystem.
"Utvecklingen av kvantmekanik har dominerat det senaste århundradet, och en "andra kvantrevolution" mot utvecklingen av QIST och dess applikationer är nu på god väg runt om i världen, inklusive hos företag som IBM, Google och Amazon, säger Schneble, professor vid institutionen för fysik och astronomi vid College of Arts and Sciences. "Vårt arbete belyser några grundläggande kvantmekaniska effekter som är av intresse för framväxande fotoniska kvantsystem i QIST, allt från halvledarnanofotonik till kretskvantelektrodynamik."
Stony Brook-forskarna genomförde sina experiment med en plattform med ultrakalla atomer i ett optiskt gitter, ett ägg-låda-liknande potentiellt landskap som bildas av stående ljusvågor. Med hjälp av en dedikerad vakuumapparat med olika lasrar och kontrollfält och som arbetar vid nanokelvintemperatur, implementerade de ett scenario där atomerna fångade i gittret "kläder sig" med moln av vakuumexcitationer gjorda av ömtåliga, försvinnande materiavågor.
Teamet fann att de polaritoniska partiklarna som ett resultat blir mycket mer rörliga. Forskarna kunde direkt undersöka deras inre struktur genom att försiktigt skaka gittret och på så sätt komma åt bidragen från materienvågorna och atomnätets excitation. När de lämnas ensamma hoppar materiavågspolaritonerna genom gittret, interagerar med varandra och bildar stabila faser av kvasipartikelmateria.
"Med vårt experiment utförde vi en kvantsimulering av ett exciton-polaritonsystem i en ny regim", förklarar Schneble. "Strävan efter att utföra sådana analogue’ simulations, which in addition areanalog` i den meningen att de relevanta parametrarna kan ringas in fritt, utgör i sig en viktig riktning inom QIST."
Referens: "Formation of matter-wave polaritons in an optical lattice" av Joonhyuk Kwon, Youngshin Kim, Alfonso Lanuza och Dominik Schneble, 31 mars 2022, Naturfysik.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
Stony Brook-forskningen inkluderade doktorander Joonhyuk Kwon (för närvarande postdoc vid Sandia National Laboratory), Youngshin Kim och Alfonso Lanuza.
Arbetet finansierades av National Science Foundation (bidrag # NSF PHY-1912546) med ytterligare medel från SUNY Center for Quantum Information Science på Long Island.
