Daten, onderzoek in kwantumoptica heeft voornamelijk de relatie tussen licht en materie onderzocht met behulp van kleine atomen die in wisselwerking staan ​​met elektromagnetische velden met aanzienlijk grotere golflengten. In een onconventionele nieuwe studie, een team van de Chalmers University of Technology in Zweden en het Max Planck Institute for the Science of Light gingen op zoek naar de interactie tussen een groot atoom en akoestische velden met golflengten die verschillende orden van grootte onder de atomaire afmetingen liggen.

In een eerdere studie, enkele van de onderzoekers uit dezelfde groep toonden aan dat kunstmatige atomen op basis van supergeleidende qubits piëzo-elektrisch kunnen worden gekoppeld aan akoestische oppervlaktegolven. Toen ze de interactie tussen geluid en materie vergeleken met de meer conventionele interactie tussen licht en materie, ze ontdekten dat de twee eigenlijk erg op elkaar lijken.

Geïnspireerd door deze observaties, ze wilden de fysica van de interactie tussen licht en materie in akoestische systemen onderzoeken. Echter, ze ontdekten dat dit alleen kon worden gedaan binnen parameterregimes die uitdagend zijn, zo niet onmogelijk, bereiken zonder geluid te gebruiken.

"We realiseerden ons dat de langzame voortplantingssnelheid van geluid ons in staat zou stellen kunstmatige atomen te ontwerpen met interne vertragingen, of 'gigantische' atomen zoals we ze graag noemen, "Gustav Andersson, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Ons doel was om erachter te komen hoe dit regime anders was dan het meer standaard geval van kleine atomen, hoe de absorptie en emissie van fononen van een gigantisch atoom eruit zou zien."

Om het 'gigantische atoomregime' te bereiken dat ze wilden onderzoeken, de onderzoekers maakten gebruik van een belangrijk kenmerk van geluidsgolven, met name hun trage voortplantingssnelheid. In feite, de voortplantingssnelheid van geluidsgolven is ongeveer 3000 m/s, dat is vijf ordes van grootte langzamer dan het licht.

Andersson en zijn collega's lieten het kunstmatige atoom op twee verschillende punten interageren met geluid. Om hun experiment te laten werken, echter, de afstand tussen deze twee punten moest groot genoeg zijn om ervoor te zorgen dat de tijd waarin de golven zich over hen voortplantten langer was dan de tijdschaal van fotonabsorptie en -emissie.

De aanpak van de onderzoekers kan worden vergeleken met het beheersen van de straling van een atoom door het aan een antenne te bevestigen. Omdat de snelheid van de geluidsgolven laag is, het duurt langer voordat hun veld zich over het gigantische atoom verspreidt, wat aanleiding geeft tot wat bekend staat als niet-Markoviaanse dynamiek.

"We hebben het kunstmatige atoom laten interageren met geluid via interdigitale transducers (IDT's), een periodieke vingerstructuur waarvan de periode overeenkomt met de golflengte van de akoestische oppervlaktegolven, " legde Andersson uit. "We hebben deze scheiding gecreëerd door effectief twee IDT's te gebruiken die elektrisch zijn verbonden. Vervolgens gebruikten we microgolfmetingen bij lage temperatuur, standaardtechnieken voor supergeleidende circuits, om de eigenschappen van het gigantische atoom te bestuderen."

Het experiment van Andersson en zijn collega's leverde verschillende interessante waarnemingen op met betrekking tot de interactie tussen geluid en materie. Bijvoorbeeld, de onderzoekers waren in staat om het niet-exponentiële verval en de nieuwe verstrooiingseigenschappen van gigantische atomen aan te tonen. Deze nieuw ontdekte kenmerken worden veroorzaakt door het tijdvertragingseffect (d.w.z. niet-Markoviaans proces) op het niveau van één atoom.

"Het traditionele raamwerk van kwantumoptica is gebaseerd op puntachtige atomen en negeert de tijd die het licht nodig heeft om een ​​enkel atoom te passeren, "Lingzhen Guo, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, vertelde Phys.org. "Om de waarnemingen die we in onze experimenten hebben verzameld te verklaren, echter, we moeten rekening houden met zowel het grootte-effect als de tijdvertraging van het atoom. Daarom, de studie van gigantische atomen vertegenwoordigt een nieuw paradigma in de kwantumoptica."

Het recente werk van Andersson, Guo en de rest van hun team demonstreren de niet-Markoviaanse aard van een gigantisch atoom in het frequentiespectrum, terwijl het ook zijn niet-exponentiële verval in de loop van de tijd onthult. In de toekomst, ze willen graag aanvullende studies uitvoeren die de relevantie van akoestische systemen in de verwerking van kwantuminformatie kunnen vergroten door hun voordelen ten opzichte van puur elektrische circuits te benutten.

"Vanwege de korte golflengte van geluid, akoestische oppervlaktegolfresonatoren kunnen worden ontworpen om veel meer resonantiemodi te ondersteunen dan hun elektromagnetische tegenhangers, Andersson zei. "Door deze modi te koppelen aan supergeleidende circuits, we hopen op een hardware-minimale manier complexe kwantumtoestanden te creëren. Het zou spannend zijn om te zien of dergelijke systemen kunnen worden gebruikt voor het simuleren van solid-state kwantumsystemen of bepaalde schema's om kwantumcomputing te realiseren."

© 2019 Wetenschap X Netwerk