Die Entwicklung experimenteller Plattformen, die das Gebiet der Quantenwissenschaft und -technologie (QIST) voranbringen, bringt eine einzigartige Reihe von Vorteilen und Herausforderungen mit sich, die alle neuen Technologien gemeinsam haben. Forscher der Stony Brook University unter der Leitung von Dominik Schneble, Ph.D., berichten über die Bildung von Materiewellen-Polaritonen in einem optischen Gitter, eine experimentelle Entdeckung, die Studien eines zentralen QIST-Paradigmas durch direkte Quantensimulation mit ultrakalten Atomen ermöglicht. Die Forscher gehen davon aus, dass ihre neuartigen Quasiteilchen, die stark wechselwirkende Photonen in Materialien und Geräten nachahmen, aber einige der inhärenten Herausforderungen umgehen, der Weiterentwicklung von QIST-Plattformen zugute kommen werden, die bereit sind, die Computer- und Kommunikationstechnologie zu verändern.
Die Ergebnisse sind in einem in veröffentlichten Artikel detailliert beschrieben Naturphysik.
Die Forschung wirft Licht auf grundlegende Polariton-Eigenschaften und verwandte Vielteilchenphänomene und eröffnet neue Möglichkeiten für Studien polaritonischer Quantenmaterie.
Eine wichtige Herausforderung bei der Arbeit mit photonenbasierten QIST-Plattformen besteht darin, dass Photonen zwar ideale Träger von Quanteninformationen sein können, aber normalerweise nicht miteinander interagieren. Das Fehlen solcher Wechselwirkungen verhindert auch den kontrollierten Austausch von Quanteninformationen zwischen ihnen. Wissenschaftler haben einen Ausweg gefunden, indem sie die Photonen an stärkere Anregungen in Materialien koppeln und so Polaritonen bilden, chimärenartige Hybride zwischen Licht und Materie. Kollisionen zwischen diesen schwereren Quasiteilchen ermöglichen dann eine effektive Wechselwirkung der Photonen. Dies kann die Implementierung von photonenbasierten Quantengatteroperationen und schließlich einer gesamten QIST-Infrastruktur ermöglichen.
Eine große Herausforderung ist jedoch die begrenzte Lebensdauer dieser photonenbasierten Polaritonen aufgrund ihrer Strahlungskopplung an die Umgebung, die zu unkontrolliertem spontanem Zerfall und Dekohärenz führt.
Laut Schneble und Kollegen umgeht ihre veröffentlichte Polariton-Forschung solche Einschränkungen, die durch spontanen Zerfall verursacht werden, vollständig. Die Photonenaspekte ihrer Polaritonen werden vollständig von atomaren Materiewellen getragen, für die solche unerwünschten Zerfallsprozesse nicht existieren. Diese Funktion eröffnet den Zugang zu Parameterregimen, die in photonenbasierten polaritonischen Systemen nicht oder noch nicht zugänglich sind.
„Die Entwicklung der Quantenmechanik hat das letzte Jahrhundert dominiert, und eine ‚zweite Quantenrevolution‘ hin zur Entwicklung von QIST und seinen Anwendungen ist jetzt rund um den Globus in vollem Gange, auch bei Unternehmen wie IBM, Google und Amazon“, sagt Schneble, Professor am Institut für Physik und Astronomie des College of Arts and Sciences. „Unsere Arbeit hebt einige grundlegende quantenmechanische Effekte hervor, die für entstehende photonische Quantensysteme in QIST von Interesse sind, die von der Halbleiter-Nanophotonik bis zur Quantenelektrodynamik von Schaltkreisen reichen.“
Die Forscher von Stony Brook führten ihre Experimente mit einer Plattform aus ultrakalten Atomen in einem optischen Gitter durch, einer eierkistenartigen Potentiallandschaft, die von stehenden Lichtwellen gebildet wird. Unter Verwendung einer speziellen Vakuumapparatur mit verschiedenen Lasern und Steuerfeldern, die bei Nanokelvin-Temperatur arbeiteten, implementierten sie ein Szenario, in dem sich die im Gitter gefangenen Atome mit Wolken von Vakuumanregungen aus zerbrechlichen, evaneszenten Materiewellen „kleiden“.
Das Team fand heraus, dass die polaritonischen Teilchen dadurch viel beweglicher werden. Ihre innere Struktur konnten die Forscher durch leichtes Schütteln des Gitters direkt ausloten und so auf die Beiträge der Materiewellen und der atomaren Gitteranregung zugreifen. Wenn sie in Ruhe gelassen werden, hüpfen die Materiewellen-Polaritonen durch das Gitter, interagieren miteinander und bilden stabile Phasen von Quasiteilchen-Materie.
„Mit unserem Experiment haben wir eine Quantensimulation eines Exziton-Polariton-Systems in einem neuartigen Regime durchgeführt“, erklärt Schneble. „Das Streben nach der Durchführung solcher ‚analogen‘ Simulationen, die außerdem ‚analog‘ in dem Sinne sind, dass die relevanten Parameter frei gewählt werden können, stellt an sich eine wichtige Richtung innerhalb von QIST dar.“
An der Forschung von Stony Brook nahmen die Doktoranden Joonhyuk Kwon (derzeit Postdoc am Sandia National Laboratory), Youngshin Kim und Alfonso Lanuza teil.
Joonhyuk Kwon et al, Bildung von Materiewellen-Polaritonen in einem optischen Gitter, Naturphysik (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4