Forscher fangen Atome ein und zwingen sie, als photonische Transistoren zu dienen

Forscher der Purdue University haben Alkaliatome (Cäsium) auf einem integrierten photonischen Schaltkreis gefangen, der sich wie ein Transistor für Photonen (die kleinste Energieeinheit des Lichts) verhält, ähnlich wie elektronische Transistoren. Diese gefangenen Atome zeigen das Potenzial, ein Quantennetzwerk auf der Basis von integrierten nanophotonischen Schaltkreisen mit kalten Atomen aufzubauen.

Das Team unter der Leitung von Chen-Lung Hung, außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie am Purdue University College of Science, hat ihre Entdeckung veröffentlicht In Körperliche Überprüfung X.

„Wir haben eine Technik entwickelt, mit der man mit Lasern Atome auf einem integrierten nanophotonischen Schaltkreis kühlen und festhalten kann. Dabei breitet sich das Licht in einem kleinen photonischen ‚Draht‘ aus, genauer gesagt in einem Wellenleiter, der mehr als 200 Mal dünner ist als ein menschliches Haar“, erklärt Hung, der auch Mitglied des Purdue Quantum Science and Engineering Institute ist.

„Diese Atome sind auf minus 459,67 Grad Fahrenheit, also nur 0,00002 Grad über dem absoluten Nullpunkt, ‚eingefroren‘ und stehen im Wesentlichen still. Bei dieser kalten Temperatur können die Atome von einem ‚Traktorstrahl‘ eingefangen werden, der auf den photonischen Wellenleiter gerichtet ist, und in einem Abstand darüber platziert werden, der viel kürzer ist als die Wellenlänge des Lichts, etwa 300 Nanometer oder ungefähr die Größe eines Virus. In diesem Abstand können die Atome sehr effizient mit Photonen interagieren, die im photonischen Wellenleiter eingeschlossen sind.

„Mithilfe modernster Nanofabrikationsinstrumente im Birck Nanotechnology Center formen wir den photonischen Wellenleiter in einer kreisförmigen Form mit einem Durchmesser von etwa 30 Mikrometern (dreimal kleiner als ein menschliches Haar), um einen sogenannten Mikroringresonator zu bilden. Licht würde innerhalb des Mikroringresonators zirkulieren und mit den gefangenen Atomen interagieren“, fügt Hung hinzu.

Ein wichtiger Aspekt der Funktion, den das Team in dieser Forschung demonstriert, ist, dass dieser atomgekoppelte Mikroringresonator als „Transistor“ für Photonen dient. Sie können diese gefangenen Atome verwenden, um den Lichtfluss durch den Schaltkreis zu steuern. Wenn sich die Atome im richtigen Zustand befinden, können Photonen durch den Schaltkreis übertragen werden. Wenn sich die Atome in einem anderen Zustand befinden, werden Photonen vollständig blockiert. Je stärker die Atome mit den Photonen interagieren, desto effizienter ist dieses Tor.

„Wir haben bis zu 70 Atome eingefangen, die gemeinsam an Photonen koppeln und ihre Übertragung auf einem integrierten Photonenchip steuern konnten. Das wurde bisher noch nicht realisiert“, sagt Xinchao Zhou, Doktorand an der Purdue-Universität für Physik und Astronomie. Zhou ist auch der Empfänger des diesjährigen Bilsand-Dissertationsstipendiums.

Das gesamte Forschungsteam ist an der Purdue University in West Lafayette, Indiana, ansässig. Hung war der leitende Forscher und beaufsichtigte das Projekt. Zhou führte das Experiment durch, um Atome auf dem integrierten Schaltkreis einzufangen, der von Tzu-Han Chang, einem ehemaligen Postdoc, der jetzt mit Prof. Sunil Bhave am Birck Nanotechnology Center arbeitet, intern entworfen und hergestellt wurde. Die kritischen Teile des Experiments wurden von Zhou und Hikaru Tamura eingerichtet, einem ehemaligen Postdoc an der Purdue University zum Zeitpunkt der Forschung und jetzt Assistenzprofessor am Institute of Molecular Science in Japan.

„Unsere Technik, die wir in dem Artikel ausführlich beschrieben haben, ermöglicht es uns, viele Atome auf einem integrierten photonischen Schaltkreis sehr effizient mittels Laser zu kühlen. Sobald viele Atome gefangen sind, können sie gemeinsam mit Licht interagieren, das sich auf dem photonischen Wellenleiter ausbreitet“, sagt Zhou.

„Das ist einzigartig für unser System, denn alle Atome sind gleich und nicht zu unterscheiden, sodass sie auf die gleiche Weise an Licht koppeln und Phasenkohärenz aufbauen können, wodurch Atome gemeinsam stärker mit Licht interagieren können. Man stelle sich ein Boot vor, das sich schneller bewegt, wenn alle Ruderer es synchron rudern, im Vergleich zu unsynchronisierten Bewegungen“, sagt Hung.

„Im Gegensatz dazu sind Festkörperemitter, die in einen photonischen Schaltkreis eingebettet sind, kaum ‚dieselben‘, da die Umgebung jeden Emitter leicht unterschiedlich beeinflusst. Für viele Festkörperemitter ist es viel schwieriger, Phasenkohärenz aufzubauen und kollektiv mit Photonen wie kalten Atomen zu interagieren. Wir könnten im Schaltkreis gefangene kalte Atome verwenden, um neue kollektive Effekte zu untersuchen“, fährt Hung fort.

Die in dieser Forschung demonstrierte Plattform könnte eine photonische Verbindung für zukünftige verteilte Quantencomputer auf Basis neutraler Atome bereitstellen. Sie könnte auch als neue experimentelle Plattform für die Untersuchung kollektiver Licht-Materie-Wechselwirkungen und für die Synthese quantenentarteter gefangener Gase oder ultrakalter Moleküle dienen.

„Im Gegensatz zu elektronischen Transistoren, die wir im Alltag verwenden, folgt unser atomgekoppelter integrierter photonischer Schaltkreis den Prinzipien der Quantenüberlagerung“, erklärt Hung. „Dadurch können wir Quanteninformationen in gefangenen Atomen, den sogenannten Qubits, manipulieren und speichern. Unser Schaltkreis kann gespeicherte Quanteninformationen auch effizient in Photonen umwandeln, die durch den photonischen Draht und ein Glasfasernetz ‚fliegen‘ könnten, um mit anderen atomgekoppelten integrierten Schaltkreisen oder Atom-Photon-Schnittstellen zu kommunizieren. Unsere Forschung zeigt das Potenzial, ein Quantennetzwerk auf der Grundlage kaltatomintegrierter nanophotonischer Schaltkreise aufzubauen.“

Das Team arbeitet seit mehreren Jahren an diesem Forschungsgebiet und plant, es mit Nachdruck weiter zu verfolgen. Zu ihren bisherigen Forschungsentdeckungen im Zusammenhang mit dieser Arbeit gehören jüngste Durchbrüche wie die Realisierung der „Traktorstrahl“-Methode im Jahr 2023 Zhou als Erstautor aufführen, und dieRealisierung einer hocheffizienten optischen Faserkopplung zu einem photonischen Chip im Jahr 2022 mit einer anhängigen US-Patentanmeldung. Durch die erfolgreiche Demonstration des Teams, dass Atome sehr effizient gekühlt und in einem Schaltkreis gefangen werden können, haben sich neue Forschungsrichtungen ergeben. Die Zukunft dieser Forschung ist rosig und es gibt noch viele Möglichkeiten, sie zu erkunden.

„Es gibt mehrere vielversprechende nächste Schritte, die es zu erforschen gilt“, sagt Hung. „Wir könnten die gefangenen Atome in einer geordneten Anordnung entlang des photonischen Wellenleiters anordnen. Diese Atome können sich durch konstruktive Interferenz kollektiv an den Wellenleiter koppeln, können aber aufgrund destruktiver Interferenz keine Photonen in den umgebenden freien Raum abstrahlen. Unser Ziel ist es, die erste nanophotonische Plattform zu bauen, die die sogenannte „selektive Strahlung“ realisiert, die von Theoretikern in den letzten Jahren vorgeschlagen wurde, um die Genauigkeit der Photonenspeicherung in einem Quantensystem zu verbessern.

„Wir könnten auch versuchen, neue Zustände von Quantenmaterie auf einem integrierten photonischen Schaltkreis zu bilden, um die Physik von wenigen und vielen Körpern mit Atom-Photon-Wechselwirkungen zu studieren. Wir könnten die Atome näher an den absoluten Nullpunkt abkühlen, um Quantenentartung zu erreichen, sodass die gefangenen Atome ein Gas aus stark wechselwirkendem Bose-Einstein-Kondensat bilden könnten. Wir könnten auch versuchen, kalte Moleküle aus den gefangenen Atomen mit der verstärkten Strahlungskopplung des Mikroringresonators zu synthetisieren.“