科学家报告了物质波极化子在光学晶格中的形成，这是一项实验发现，可以通过使用超冷原子的直接量子模拟来研究中心量子科学和技术范式。
物质波极化子的发现为光子量子技术提供了新的思路
发表在《自然物理学》杂志上的研究为“第二次量子革命”提供了一个新平台。
推进量子科学与技术 (QIST) 领域的实验平台的开发带来了一系列独特的优势和任何新兴技术所共有的挑战。 由 Dominik Schneble 博士领导的石溪大学的研究人员报告了物质波极化子在光学晶格中的形成，这是一项实验发现，允许通过使用超冷原子的直接量子模拟来研究中心 QIST 范式。 科学家们预计，他们的新型准粒子模拟材料和设备中的强相互作用光子，但规避了一些固有挑战，将有利于 QIST 平台的进一步发展，这些平台有望彻底改变计算和通信技术。
研究结果在该期刊上发表的一篇论文中进行了详细说明 自然物理学.
该研究揭示了基本的极化子特性和相关的多体现象，并为极化子量子物质的研究开辟了新的可能性。
使用基于光子的 QIST 平台的一个重要挑战是，虽然光子可以成为量子信息的理想载体，但它们通常不会相互交互。 这种相互作用的缺乏也抑制了它们之间量子信息的受控交换。 科学家们通过将光子与材料中更重的激发耦合，从而找到了解决此问题的方法，从而在光和物质之间形成极化子，类似于嵌合体的混合物。 这些较重的准粒子之间的碰撞使光子能够有效地相互作用。 这可以实现基于光子的量子门操作，并最终实现整个 QIST 基础设施。
然而，一个主要挑战是这些基于光子的极化子的有限寿命，因为它们与环境的辐射耦合，导致不受控制的自发衰变和退相干。
极化子研究中的研究结果的艺术渲染显示了光学晶格中的原子形成绝缘相（左）； 原子通过由绿色（中心）表示的微波辐射介导的真空耦合变成物质波极化子； 极化子变得可移动并形成用于强真空耦合的超流体相（右）。 图片来源：Alfonso Lanuza/Schneble Lab/石溪大学。
根据 Schneble 及其同事的说法，他们发表的极化子研究完全规避了由自发衰变引起的这种限制。 它们的极化子的光子方面完全由原子物质波携带，因此不存在这种不需要的衰变过程。 此功能打开了对基于光子的极化子系统中不可访问或尚未访问的参数方案的访问。
“量子力学的发展在上个世纪占据主导地位，针对 QIST 及其应用的‘第二次量子革命’正在全球范围内进行，包括 IBM、谷歌和亚马逊等公司，”Schneble 说，文理学院物理与天文学系教授。 “我们的工作突出了一些基本的量子力学效应，这些效应对 QIST 中的新兴光子量子系统感兴趣，从半导体纳米光子学到电路量子电动力学。”
Stony Brook 的研究人员在一个平台上进行了他们的实验，该平台具有光学晶格中的超冷原子，这是一种由光驻波形成的类似蛋箱的潜在景观。 他们使用具有各种激光器和控制场并在纳米开尔文温度下运行的专用真空装置，实现了一种场景，在这种场景中，被困在晶格中的原子“穿上”了由脆弱的消逝物质波构成的真空激发云。
研究小组发现，因此，极化子粒子变得更加移动。 研究人员能够通过轻轻摇动晶格直接探测其内部结构，从而获得物质波和原子晶格激发的贡献。 单独放置时，物质波极化子在晶格中跳跃，相互作用，形成准粒子物质的稳定相。
“通过我们的实验，我们在一种新的状态下对激子-极化子系统进行了量子模拟，”Schneble 解释说。 “寻求执行这样的 analogue’ simulations, which in addition are模拟`在某种意义上说，相关参数可以自由拨入，它本身就构成了 QIST 的一个重要方向。”
参考文献：“光晶格中物质波极化子的形成”，Joonhyuk Kwon、Youngshin Kim、Alfonso Lanuza 和 Dominik Schneble，31 年 2022 月 XNUMX 日， 自然物理学.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
Stony Brook 的研究包括研究生 Joonhyuk Kwon（目前是桑迪亚国家实验室的博士后）、Youngshin Kim 和 Alfonso Lanuza。
这项工作由美国国家科学基金会（资助号 NSF PHY-1912546）资助，并由长岛纽约州立大学量子信息科学中心提供额外资金。
