Gennembrud i søgen efter at kontrollere lys for at udvikle næste generation af kvanteregistrering og databehandling

Forskere har lavet et afgørende nyt gennembrud i søgen efter at kontrollere lys for at udvikle den næste generation af kvantesansning og databehandling.

Holdet af forskere, herunder Dr. Oleksandr Kyriienko fra University of Exeter, har vist, at styring af lys kan opnås ved at inducere og måle et ikke-lineært faseskift ned til et enkelt polaritonniveau.

Polaritoner er hybridpartikler, der kombinerer egenskaber af lys og stof. De opstår i optiske strukturer ved stærk lys-stof-kobling, hvor fotoner hybridiserer med underliggende partikler i materialerne - kvantebrønd-excitoner (bundne elektron-hul-par).

Den nye forskning, ledet af en eksperimentel gruppe af Prof D Krizhanovskii fra University of Sheffield, har observeret, at en interaktion mellem polaritoner i mikrosøjler fører til en krydsfase-modulation mellem forskellige polariseringsmetoder.

Faseændringen er signifikant selv i nærvær af (i gennemsnit) en enkelt polariton og kan øges yderligere i strukturer med stærkere indespærring af lys. Dette giver mulighed for kvantepolaritoniske effekter, der kan bruges til kvantesansning og databehandling.

Teoretisk analyse, ledet af Dr. Oleksandr Kyriienko, viser, at det observerede enkelt polariton faseskift kan øges yderligere, og ved at kaskadere mikrosøjler tilbyder en vej mod polaritoniske kvanteporte.

Kvanteeffekter med svage lysstråler kan igen hjælpe med at detektere kemikalier, gaslækage og udføre beregninger med stort set øget hastighed.

Forskningen er udgivet af Nature Photonics .

Dr. Kyriienko siger, at "de eksperimentelle resultater afslører, at kvanteeffekter på enkelt polariton-niveau kan måles i en enkelt mikrosøjle. Fra et teoretisk synspunkt er det vigtigt at øge faseskift og udvikle systemet til en optisk styret faseport. Vi vil helt sikkert se flere bestræbelser på at bygge kvantepolaritoniske gitter som en kvanteteknologiplatform."

Polaritoner har vist sig at være en fremragende platform for ikke-lineær optik, hvor partikler nyder øget kohærens på grund af hulrumsfelt og stærk ikke-lineær fra exciton-exciton-spredning.

Tidligere førte polaritoniske eksperimenter til observation af polaritonisk Bose-Einstein-kondensation og forskellige makroskopiske ikke-lineære effekter, herunder dannelse af solitoner og hvirvler. Observationen af ​​kvantepolaritoniske effekter i den lave besættelsesgrænse forbliver dog et ukendt felt.

Undersøgelsen viser, at polaritoner kan opretholde ikke-linearitet og sammenhæng ved ekstremt små erhverv. Dette udløser en søgning efter polaritoniske systemer, der yderligere kan forbedre kvanteeffekter og fungere som kvanteenheder.

Dr. Paul Walker, den tilsvarende forfatter til undersøgelsen, forklarer, at de "har brugt mikrosøjler af høj kvalitet fra galliumarsenid leveret af samarbejdspartnere fra University of Paris Saclay, Frankrig. Disse søjler begrænser tilstande af forskellig polarisering, der er tæt på energi. Ved at pumpe lys ind i en af ​​tilstandene (fundamental), sonderer vi et signal sendt til en anden (højere energi) tilstand og observerer, at tilstedeværelsen af ​​en svag (enkelt foton) puls fører til polarisationsrotation.Dette kan ses som en kontrolleret faserotation. "

Seniorforfatteren for undersøgelsen Prof Krizhanovskii konkluderer, at "i det præsenterede eksperiment har vi taget et første skridt for at se single-polariton-effekter. Der er bestemt plads til forbedringer. Faktisk ved at bruge hulrum af mindre størrelse og optimere den struktur, vi forventer at øge faseforskydningsordener af størrelse. Dette vil etablere state-of-the-art for fremtidige polaritoniske chips." + Udforsk yderligere

Forøgelse af polaritonisk ikke-linearitet med en mekanisme til at skabe polaron-polaritoner