Opdagelse af stofbølgepolaritoner kaster nyt lys over fotoniske kvanteteknologier

Udviklingen af ​​eksperimentelle platforme, der fremmer området for kvantevidenskab og -teknologi (QIST), kommer med et unikt sæt fordele og udfordringer, der er fælles for enhver ny teknologi. Forskere ved Stony Brook University, ledet af Dominik Schneble, Ph.D., rapporterer dannelsen af ​​stofbølgepolaritoner i et optisk gitter, en eksperimentel opdagelse, der muliggør studier af et centralt QIST-paradigme gennem direkte kvantesimulering ved hjælp af ultrakolde atomer. Forskerne projekterer, at deres nye kvasipartikler, som efterligner stærkt interagerende fotoner i materialer og enheder, men omgår nogle af de iboende udfordringer, vil gavne den videre udvikling af QIST-platforme, der er klar til at transformere computer- og kommunikationsteknologi.

Resultaterne er beskrevet detaljeret i et papir offentliggjort i Nature Physics .

Forskningen kaster lys over fundamentale polaritonegenskaber og beslægtede mange-kropsfænomener, og den åbner op for nye muligheder for studier af polaritonisk kvantestof.

En vigtig udfordring i arbejdet med fotonbaserede QIST-platforme er, at selvom fotoner kan være ideelle bærere af kvanteinformation, interagerer de normalt ikke med hinanden. Fraværet af sådanne interaktioner hæmmer også den kontrollerede udveksling af kvanteinformation mellem dem. Forskere har fundet en vej uden om dette ved at koble fotonerne til tungere excitationer i materialer og dermed danne polaritoner, kimærlignende hybrider mellem lys og stof. Kollisioner mellem disse tungere kvasipartikler gør det så muligt for fotonerne at interagere effektivt. Dette kan muliggøre implementering af foton-baserede kvanteport-operationer og i sidste ende af en hel QIST-infrastruktur.

En stor udfordring er imidlertid den begrænsede levetid for disse foton-baserede polaritoner på grund af deres strålingskobling til miljøet, hvilket fører til ukontrolleret spontant henfald og dekohærens.

Ifølge Schneble og kolleger omgår deres publicerede polaritonforskning sådanne begrænsninger forårsaget af spontant henfald fuldstændigt. Foton-aspekterne af deres polaritoner er udelukkende båret af atomare stofbølger, for hvilke sådanne uønskede henfaldsprocesser ikke eksisterer. Denne funktion åbner adgang til parameterregimer, der ikke er eller endnu ikke er tilgængelige i fotonbaserede polaritoniske systemer.

"Udviklingen af ​​kvantemekanik har domineret det sidste århundrede, og en "anden kvanterevolution" hen imod udviklingen af ​​QIST og dets applikationer er nu godt i gang rundt om i verden, inklusive hos virksomheder som IBM, Google og Amazon," siger Schneble, en professor ved Institut for Fysik og Astronomi i College of Arts and Sciences. "Vores arbejde fremhæver nogle fundamentale kvantemekaniske effekter, der er af interesse for nye fotoniske kvantesystemer i QIST lige fra halvledernanofotonik til kredsløbskvanteelektrodynamik."

Stony Brook-forskerne udførte deres eksperimenter med en platform med ultrakolde atomer i et optisk gitter, et æg-kasselignende potentielt landskab dannet af stående lysbølger. Ved hjælp af et dedikeret vakuumapparat med forskellige lasere og kontrolfelter og opererer ved nanokelvin-temperatur, implementerede de et scenarie, hvor atomerne fanget i gitteret "klæder sig" på med skyer af vakuumexcitationer lavet af skrøbelige, forsvindende stofbølger.

Holdet fandt ud af, at de polaritoniske partikler som et resultat bliver meget mere mobile. Forskerne var i stand til direkte at undersøge deres indre struktur ved forsigtigt at ryste gitteret og dermed få adgang til bidragene fra stofbølgerne og atomgitterets excitation. Når de efterlades alene, hopper stofbølgepolaritonerne gennem gitteret, interagerer med hinanden og danner stabile faser af kvasipartikelstof.

"Med vores eksperiment udførte vi en kvantesimulering af et exciton-polariton-system i et nyt regime," forklarer Schneble. "Søgen efter at udføre sådanne 'analoge' simuleringer, som desuden er 'analoge' i den forstand, at de relevante parametre frit kan ringes ind, udgør i sig selv en vigtig retning inden for QIST."

Stony Brook-forskningen omfattede kandidatstuderende Joonhyuk Kwon (i øjeblikket postdoc ved Sandia National Laboratory), Youngshin Kim og Alfonso Lanuza. + Udforsk yderligere

Forbedrede interaktioner gennem stærk lys-stof-kobling