Mokslininkai kuria eksperimentinę platformą „antrajai kvantinei revoliucijai“


Abstraktiųjų dalelių fizikos technologija

Mokslininkai praneša apie materijos bangų poliaritonų susidarymą optinėje gardelėje – tai eksperimentinis atradimas, leidžiantis tyrinėti centrinę kvantinio mokslo ir technologijų paradigmą tiesioginiu kvantiniu modeliavimu naudojant itin šaltus atomus.

Medžiagos ir bangos poliaritonų atradimas suteikia naujos šviesos fotoninėms kvantinėms technologijoms

Žurnale „Nature Physics“ paskelbti tyrimai suteikia naują „antrosios kvantinės revoliucijos“ platformą.

Kvantinio mokslo ir technologijų (QIST) srityje tobulėjančių eksperimentinių platformų kūrimas turi unikalių pranašumų ir iššūkių, būdingų bet kuriai naujai technologijai. Stony Brook universiteto mokslininkai, vadovaujami mokslų daktaro Dominiko Schneble’io, praneša apie materijos bangų poliaritonų susidarymą optinėje gardelėje – tai eksperimentinis atradimas, leidžiantis tirti centrinę QIST paradigmą tiesioginiu kvantiniu modeliavimu naudojant itin šaltus atomus. Mokslininkai prognozuoja, kad jų naujosios kvazidalelės, kurios imituoja stipriai sąveikaujančius fotonus medžiagose ir įrenginiuose, bet apeina kai kuriuos būdingus iššūkius, bus naudingos tolesnei QIST platformų plėtrai, kurios yra pasirengusios pakeisti skaičiavimo ir ryšių technologijas.

Tyrimo išvados išsamiai aprašytos žurnale paskelbtame dokumente Gamtos fizika.

Tyrimas atskleidžia pagrindines poliaritono savybes ir susijusius daugelio kūnų reiškinius ir atveria naujas poliaritoninės kvantinės medžiagos tyrimų galimybes.

Svarbus iššūkis dirbant su fotonų QIST platformomis yra tai, kad nors fotonai gali būti idealūs kvantinės informacijos nešėjai, jie paprastai nesąveikauja vienas su kitu. Tokios sąveikos nebuvimas taip pat slopina kontroliuojamą kvantinės informacijos keitimąsi tarp jų. Mokslininkai rado būdą, kaip tai apeiti, sujungdami fotonus su sunkesniais medžiagų sužadinimais, taip suformuodami polaritonus, į chimerą panašius šviesos ir materijos hibridus. Šių sunkesnių kvazidalelių susidūrimai leidžia fotonams efektyviai sąveikauti. Tai gali leisti įgyvendinti fotonų pagrindu veikiančias kvantinių vartų operacijas ir galiausiai visą QIST infrastruktūrą.

Tačiau pagrindinis iššūkis yra ribotas šių fotonų pagrindu pagamintų polaritonų tarnavimo laikas dėl jų spinduliavimo sujungimo su aplinka, dėl kurio atsiranda nekontroliuojamas spontaniškas skilimas ir dekoherence.

Atomai optinėje gardelėje

Poliaritono tyrimo tyrimo rezultatų meninis perteikimas rodo, kad atomai optinėje gardelėje sudaro izoliacinę fazę (kairėje); atomai virsta materijos-bangos poliaritonais per vakuuminį ryšį, tarpininkaujantį mikrobangų spinduliuotei, pavaizduotai žalia spalva (centras); polaritonai tampa judrūs ir sudaro superskysčių fazę stipriam vakuuminiam sujungimui (dešinėje). Autoriai: Alfonso Lanuza / Schneble Lab / Stony Brook universitetas.

Schneble ir kolegų teigimu, jų paskelbti poliaritono tyrimai visiškai apeina tokius apribojimus, kuriuos sukelia spontaniškas skilimas. Jų polaritonų fotonų aspektus visiškai neša atominės medžiagos bangos, kurioms tokie nepageidaujami skilimo procesai neegzistuoja. Ši funkcija atveria prieigą prie parametrų režimų, kurie nėra arba dar nepasiekiami fotonų pagrindu veikiančiose poliaritoninėse sistemose.

„Praėjusį šimtmetį dominavo kvantinės mechanikos raida, o „antroji kvantinė revoliucija“ QIST ir jos taikomųjų programų kūrimo link jau vyksta visame pasaulyje, įskaitant tokias korporacijas kaip IBM, Google ir Amazon“, – sako Schneble. Menų ir mokslų kolegijos Fizikos ir astronomijos katedros profesorius. „Mūsų darbas pabrėžia kai kuriuos esminius kvantinius mechaninius efektus, kurie domina atsirandančias fotonines kvantines QIST sistemas, pradedant puslaidininkių nanofotonika ir baigiant grandinės kvantine elektrodinamika.

Stony Brook tyrėjai atliko savo eksperimentus su platforma su itin šaltais atomais optinėje grotelėje – į kiaušinių dėžę panašus potencialus kraštovaizdis, suformuotas stovinčių šviesos bangų. Naudodami tam skirtą vakuuminį aparatą su įvairiais lazeriais ir valdymo laukais bei veikiančiu nanokelvino temperatūroje, jie įgyvendino scenarijų, pagal kurį gardelėse įstrigę atomai „apsirengia“ vakuuminio sužadinimo debesimis, sudarytais iš trapių, išnykstančių materijos bangų.

Komanda nustatė, kad dėl to poliaritoninės dalelės tampa daug judresnės. Tyrėjai sugebėjo tiesiogiai ištirti jų vidinę struktūrą, švelniai purtydami grotelę, taip prieidami prie materijos bangų ir atominės gardelės sužadinimo. Kai lieka vieni, materijos bangos poliaritonas šokinėja per gardelę, sąveikauja tarpusavyje ir sudaro stabilias kvazidalelių materijos fazes.

„Eksperimentu mes atlikome kvantinį eksitono-poliaritono sistemos modeliavimą naujame režime“, – aiškina Schneble. „Pasiekimas atlikti tokius „analoginius“ modeliavimus, kurie be to yra „analoginiai“ ta prasme, kad atitinkamus parametrus galima laisvai rinkti, savaime yra svarbi QIST kryptis.

Nuoroda: Joonhyuk Kwon, Youngshin Kim, Alfonso Lanuza ir Dominik Schneble „Materijos ir bangos poliaritonų susidarymas optinėje gardelėje“, 2022 m. kovo 31 d. Gamtos fizika.
DOI: 10.1038 / s41567-022-01565-4

Stony Brook tyrime dalyvavo magistrantai Joonhyuk Kwon (šiuo metu Sandijos nacionalinės laboratorijos doktorantas), Youngshin Kim ir Alfonso Lanuza.

Darbą finansavo Nacionalinis mokslo fondas (subsidijos Nr. NSF PHY-1912546) su papildomomis lėšomis iš SUNY kvantinės informacijos mokslo centro Long Islande.