Forskerholdet rapporterer om et vigtigt skridt til at gøre optiske simulatorer til virkelige enheder

En gruppe Skoltech-forskere, i samarbejde med kolleger fra University of Southampton (UK), udviklet en fuldt optisk tilgang til at styre koblingerne mellem polaritonkondensater i optiske gitter. Denne undersøgelse er et vigtigt skridt mod den praktiske anvendelse af optiske polaritonkondensatgitter som en platform til simulering af kondenserede stoffaser. Forskningsresultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , hvor papiret stod på forsiden.

I løbet af dets tre års eksistens, Laboratory of Hybrid Photonics ved Skoltech Center for Photonics and Quantum Materials og dets hold af unge forskere, arbejder under vejledning af professor Pavlos Lagoudakis, har presset på det nyeste inden for exciton polaritonik. Deres nylige demonstration af kohærent koblede polaritonkondensater er især blevet foreslået som en ny simulatorplatform [1, 2]. Denne teknologi bruger et omfattende laserexcitationsmønster til at generere polaritongrafer med høj kompleksitet på en meget skalerbar måde, med op til tusinde kondensater, der i øjeblikket kan opnås. Uanset hvilken teknologisk platform der bruges, og om dets noder er polaritonkondensater, koldfangede atomer eller superledende qubits, Evnen til at tune koblingerne mellem nærmeste og næste-nærmeste naboknudepunkter er et væsentligt skridt til at simulere faser af kondenseret stof. Da koblingen mellem polaritonkondensater var foruddefineret af laserexcitationsgeometrien og polaritonbølgevektoren, styring af koblingen mellem noderne i en fast gittergeometri forblev uhåndgribelig.

For at tackle denne teknologiske udfordring, forskerne foreslog at bruge et andet svagere lasermønster til at danne usammenhængende exciton-reservoirer, der ville fungere som optisk prægede potentielle barrierer. I et eksperiment, de demonstrerede, at indførelsen af ​​en sådan barriere med variabel højde mellem knudepunkter ændrer fasen af ​​det transmitterede kondensatsignal på en præcis og kontrolleret måde, i sidste ende ændrer tegnet på den komplekse kobling. I dette arbejde, Skoltech-forskere påviste ferromagnetiske, antiferromagnetiske og parrede ferromagnetiske faser i polariton-klynge op 4×4-kondensater.

Skoltech-forsker og førsteforfatter, Dr. Sergey Alyatkin, bemærker:"Disse resultater blev opnået på grund af vores teams hårde og koordinerede arbejde, hvilket gjorde det muligt for os først at skabe et unikt eksperimentelt setup og bruge det til at opnå disse spændende resultater. Sammen med vores kolleger fra Southampton, vi har udviklet en måde til meget præcist at kontrollere excitationens rumlige profil, som giver os mulighed for at indprente optiske gitter af polaritonkondensater i næsten enhver vilkårlig geometri. Vi implementerede også en homodyn interferometriteknik til in-situ aflæsning af de relative faser af gitterknuderne, som giver os mulighed for at projicere et klassisk spin (fra +1 til -1) for hver tilsvarende node."

Alexis Askitopoulos, seniorforsker ved Hybrid Photonics Labs og medforfatter, tilføjer:"Vores resultater viser, at vi kan tune den nærmeste nabo og den næste nærmeste nabo-interaktion i vores polaritongitter. Dette giver os effektivt kontrol over nogle af de ikke-diagonale elementer i Hamiltonian i vores system, i høj grad at øge antallet af konfigurationer, der kunne simuleres med vores platform, samt at åbne op for muligheder for implementering af maskinlæringsprocesser og algoritmer."

Resultatet af en konstant frem og tilbage af mennesker, prøver og ideer mellem Skoltech og Southampton University, denne storslåede artikel tjener også som en påmindelse om vigtigheden af ​​internationale samarbejder i den akademiske verden. I disse nuværende dage med selvisolation, de russiske og britiske grupper forbliver i tæt kontakt gennem et ugentligt online seminar, hvor de diskuterer aktuelle fremskridt og foreslår nyhedsmåder til at skubbe deres forskning videre.

Forfatterne er overbeviste om, at resultaterne af deres forskning vil være af stor interesse ikke kun for specialister, der arbejder inden for polaritonik, men også til det bredere globale fotonik- og optiske computersamfund. Den ekstreme præcision af kontrollen over den relative fase mellem noder, sammen med letheden, skalerbarhed og tunerbarhed af dens fuldt optiske implementering, menes at gøre denne udvikling til et kritisk skridt i udviklingen af ​​højtydende polariton-simulatorer, som en dag kunne låse op for den fulde kraft af optisk databehandling.