De ontwikkeling van experimentele platforms die het gebied van kwantumwetenschap en -technologie (QIST) vooruithelpen, gaat gepaard met een unieke reeks voordelen en uitdagingen die elke opkomende technologie gemeen hebben. Onderzoekers van de Stony Brook University, geleid door Dominik Schneble, Ph.D., rapporteren de vorming van materie-golfpolaritonen in een optisch rooster, een experimentele ontdekking die studies van een centraal QIST-paradigma mogelijk maakt door directe kwantumsimulatie met behulp van ultrakoude atomen. De onderzoekers voorspellen dat hun nieuwe quasideeltjes, die sterk op elkaar inwerkende fotonen in materialen en apparaten nabootsen maar enkele van de inherente uitdagingen omzeilen, de verdere ontwikkeling van QIST-platforms die klaar zijn om computer- en communicatietechnologie te transformeren, ten goede zullen komen.

De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een paper gepubliceerd in Nature Physics .

Het onderzoek werpt licht op fundamentele polaritoneigenschappen en gerelateerde veeldeeltjesfenomenen, en het opent nieuwe mogelijkheden voor studies van polaritonische kwantummaterie.

Een belangrijke uitdaging bij het werken met op fotonen gebaseerde QIST-platforms is dat, hoewel fotonen ideale dragers van kwantuminformatie kunnen zijn, ze normaal gesproken geen interactie met elkaar hebben. De afwezigheid van dergelijke interacties remt ook de gecontroleerde uitwisseling van kwantuminformatie tussen hen. Wetenschappers hebben een manier gevonden om dit te omzeilen door de fotonen te koppelen aan zwaardere excitaties in materialen, en zo polaritons te vormen, chimera-achtige hybriden tussen licht en materie. Botsingen tussen deze zwaardere quasideeltjes maken het vervolgens mogelijk voor de fotonen om effectief te interageren. Dit kan de implementatie van op fotonen gebaseerde quantumgate-operaties en uiteindelijk van een volledige QIST-infrastructuur mogelijk maken.

Een grote uitdaging is echter de beperkte levensduur van deze op fotonen gebaseerde polaritons vanwege hun stralingskoppeling met de omgeving, wat leidt tot ongecontroleerd spontaan verval en decoherentie.

Volgens Schneble en collega's omzeilt hun gepubliceerde polaritononderzoek dergelijke beperkingen die worden veroorzaakt door spontaan verval volledig. De fotonaspecten van hun polaritonen worden volledig gedragen door atomaire materiegolven, waarvoor dergelijke ongewenste vervalprocessen niet bestaan. Deze functie opent de toegang tot parameterregimes die niet of nog niet toegankelijk zijn in op fotonen gebaseerde polaritonische systemen.

"De ontwikkeling van de kwantummechanica heeft de afgelopen eeuw gedomineerd, en een 'tweede kwantumrevolutie' in de richting van de ontwikkeling van QIST en zijn toepassingen is nu overal ter wereld in volle gang, ook bij bedrijven als IBM, Google en Amazon", zegt Schneble, een professor in het departement Natuur- en Sterrenkunde aan het College van Kunsten en Wetenschappen. "Ons werk belicht enkele fundamentele kwantummechanische effecten die van belang zijn voor opkomende fotonische kwantumsystemen in QIST, variërend van halfgeleider nanofotonica tot kwantumelektrodynamica van circuits."

De Stony Brook-onderzoekers voerden hun experimenten uit met een platform met ultrakoude atomen in een optisch rooster, een eikratachtig potentieel landschap gevormd door staande lichtgolven. Met behulp van een speciaal vacuümapparaat met verschillende lasers en controlevelden en werkend bij nanokelvin-temperatuur, implementeerden ze een scenario waarin de atomen die in het rooster vastzaten zichzelf "aankleden" met wolken van vacuümexcitaties gemaakt van fragiele, verdwijnende materiegolven.

Het team ontdekte dat de polaritonische deeltjes daardoor veel mobieler worden. De onderzoekers waren in staat om hun innerlijke structuur direct te onderzoeken door het rooster zachtjes te schudden, waardoor ze toegang kregen tot de bijdragen van de materiegolven en de atomaire roosterexcitatie. Wanneer ze alleen gelaten worden, springen de materiegolfpolaritonen door het rooster, interageren met elkaar en vormen stabiele fasen van quasideeltjesmaterie.

"Met ons experiment voerden we een kwantumsimulatie uit van een exciton-polaritonsysteem in een nieuw regime", legt Schneble uit. "Het streven om dergelijke 'analoge' simulaties uit te voeren, die bovendien 'analoog' zijn in de zin dat de relevante parameters vrij kunnen worden ingegeven, vormt op zich een belangrijke richting binnen QIST."

Het Stony Brook-onderzoek omvatte afgestudeerde studenten Joonhyuk Kwon (momenteel een postdoc bij Sandia National Laboratory), Youngshin Kim en Alfonso Lanuza. + Verder verkennen

Verbeterde interacties door sterke licht-materie koppeling