Iniuulat ng mga siyentipiko ang pagbuo ng mga matter-wave polariton sa isang optical lattice, isang eksperimentong pagtuklas na nagbibigay-daan sa pag-aaral ng isang sentral na quantum science at paradigm ng teknolohiya sa pamamagitan ng direktang quantum simulation gamit ang ultracold atoms.
Ang Pagtuklas ng Matter-Wave Polariton ay Nagbigay ng Bagong Liwanag sa Photonic Quantum Technologies
Ang pananaliksik na inilathala sa journal Nature Physics ay nagbibigay ng nobelang plataporma para sa 'ikalawang quantum revolution.'
Ang pagbuo ng mga pang-eksperimentong platform na sumusulong sa larangan ng quantum science and technology (QIST) ay may natatanging hanay ng mga pakinabang at hamon na karaniwan sa anumang umuusbong na teknolohiya. Ang mga mananaliksik sa Stony Brook University, na pinamumunuan ni Dominik Schneble, PhD, ay nag-uulat ng pagbuo ng mga matter-wave polariton sa isang optical lattice, isang eksperimentong pagtuklas na nagpapahintulot sa mga pag-aaral ng isang central QIST paradigm sa pamamagitan ng direktang quantum simulation gamit ang ultracold atoms. Ipinapalagay ng mga siyentipiko na ang kanilang mga nobelang quasiparticle, na ginagaya ang malakas na pakikipag-ugnayan ng mga photon sa mga materyales at device ngunit umiiwas sa ilan sa mga likas na hamon, ay makikinabang sa karagdagang pagbuo ng mga platform ng QIST na nakahanda na baguhin ang teknolohiya ng computing at komunikasyon.
Ang mga natuklasan sa pananaliksik ay detalyado sa isang papel na inilathala sa journal Kalikasan Physics.
Ang pag-aaral ay nagbibigay liwanag sa mga pangunahing katangian ng polariton at mga nauugnay na many-body phenomena, at nagbubukas ito ng mga posibilidad ng nobela para sa mga pag-aaral ng polaritonic quantum matter.
Ang isang mahalagang hamon sa pagtatrabaho sa mga platform ng QIST na nakabatay sa photon ay habang ang mga photon ay maaaring maging mainam na mga carrier ng quantum information, hindi sila karaniwang nakikipag-ugnayan sa isa't isa. Ang kawalan ng gayong mga pakikipag-ugnayan ay pumipigil din sa kinokontrol na pagpapalitan ng impormasyon ng kabuuan sa pagitan nila. Nakahanap ang mga siyentipiko ng paraan sa paligid nito sa pamamagitan ng pagsasama ng mga photon sa mas mabibigat na paggulo sa mga materyales, kaya bumubuo ng mga polariton, tulad ng chimera na mga hybrid sa pagitan ng liwanag at bagay. Ang mga banggaan sa pagitan ng mas mabibigat na quasiparticle na ito ay ginagawang posible para sa mga photon na epektibong makipag-ugnayan. Maaari nitong paganahin ang pagpapatupad ng mga operasyong quantum gate na nakabatay sa photon at kalaunan ng isang buong imprastraktura ng QIST.
Gayunpaman, ang isang pangunahing hamon ay ang limitadong buhay ng mga polariton na nakabatay sa photon dahil sa kanilang radiative na pagkabit sa kapaligiran, na humahantong sa hindi makontrol na kusang pagkabulok at decoherence.
Ang isang masining na pag-render ng mga natuklasan sa pananaliksik sa pag-aaral ng polariton ay nagpapakita ng mga atomo sa isang optical lattice na bumubuo ng isang insulating phase (kaliwa); mga atomo na nagiging matter-wave polariton sa pamamagitan ng vacuum coupling na pinapamagitan ng microwave radiation na kinakatawan ng berdeng kulay (gitna); nagiging mobile ang mga polariton at bumubuo ng superfluid phase para sa malakas na pagkakabit ng vacuum (kanan). Pinasasalamatan: Alfonso Lanuza/Schneble Lab/Stony Brook University.
Ayon kay Schneble at mga kasamahan, ang kanilang nai-publish na pananaliksik sa polariton ay ganap na naiiwasan ang mga limitasyong dulot ng kusang pagkabulok. Ang mga aspeto ng photon ng kanilang mga polariton ay ganap na dinadala ng mga alon ng atomic matter, kung saan ang mga hindi gustong proseso ng pagkabulok ay wala. Binubuksan ng feature na ito ang access sa mga regime ng parameter na hindi, o hindi pa, naa-access sa mga photon-based na polaritonic system.
"Ang pag-unlad ng quantum mechanics ay nangingibabaw noong nakaraang siglo, at isang 'pangalawang quantum revolution' patungo sa pag-unlad ng QIST at ang mga aplikasyon nito ay nagpapatuloy na ngayon sa buong mundo, kabilang ang mga korporasyon tulad ng IBM, Google at Amazon," sabi ni Schneble, isang Propesor sa Departamento ng Physics at Astronomy sa Kolehiyo ng Sining at Agham. "Ang aming trabaho ay nagha-highlight ng ilang pangunahing quantum mechanical effect na interesado para sa mga umuusbong na photonic quantum system sa QIST mula sa semiconductor nanophotonics hanggang sa circuit quantum electrodynamics."
Ang mga mananaliksik ng Stony Brook ay nagsagawa ng kanilang mga eksperimento gamit ang isang platform na nagtatampok ng mga ultracold atoms sa isang optical lattice, isang egg-crate-like na potensyal na landscape na nabuo sa pamamagitan ng mga nakatayong alon ng liwanag. Gamit ang isang dedikadong vacuum apparatus na nagtatampok ng iba't ibang mga laser at control field at gumagana sa nanokelvin na temperatura, nagpatupad sila ng isang senaryo kung saan ang mga atom na nakulong sa sala-sala ay "bihisan" mismo ng mga ulap ng vacuum excitations na gawa sa marupok, evanescent matter waves.
Nalaman ng koponan na, bilang isang resulta, ang mga polaritonic na particle ay nagiging mas mobile. Nagawa ng mga mananaliksik na direktang suriin ang kanilang panloob na istraktura sa pamamagitan ng malumanay na pag-alog ng sala-sala, kaya na-access ang mga kontribusyon ng mga wave wave at ang atomic lattice excitation. Kapag pinabayaang mag-isa, lumukso ang matter-wave polariton sa sala-sala, nakikipag-ugnayan sa isa't isa, at bumubuo ng mga matatag na yugto ng quasiparticle matter.
"Sa aming eksperimento nagsagawa kami ng quantum simulation ng isang exciton-polariton system sa isang nobelang rehimen," paliwanag ni Schneble. “Ang quest na maisagawa ang ganyan analogue’ simulations, which in addition areanalog` sa kahulugan na ang mga nauugnay na parameter ay maaaring malayang i-dial, sa pamamagitan ng kanyang sarili ay bumubuo ng isang mahalagang direksyon sa loob ng QIST."
Sanggunian: "Pagbuo ng matter-wave polaritons sa isang optical lattice" ni Joonhyuk Kwon, Youngshin Kim, Alfonso Lanuza at Dominik Schneble, 31 Marso 2022, Kalikasan Physics.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
Kasama sa pananaliksik ng Stony Brook ang mga nagtapos na mag-aaral na sina Joonhyuk Kwon (kasalukuyang postdoc sa Sandia National Laboratory), Youngshin Kim, at Alfonso Lanuza.
Ang gawain ay pinondohan ng National Science Foundation (grant # NSF PHY-1912546) na may karagdagang pondo mula sa SUNY Center para sa Quantum Information Science sa Long Island.
