El descubrimiento de los polaritones de ondas de materia arroja luz sobre las técnicas ópticas cuánticas

Formación esquemática y experimental del Polariton. crédito: Física de la naturaleza (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01565-4

El desarrollo de plataformas experimentales que avanzan en el campo de la ciencia y la tecnología cuánticas (QIST) viene con un conjunto único de ventajas y desafíos comunes a cualquier tecnología emergente. Investigadores de la Universidad de Stony Brook, dirigidos por Dominic Schnebel, informan de la formación de polaritones de ondas de materia en una red óptica, un descubrimiento experimental que permite realizar estudios del modelo QIST central a través de simulaciones cuánticas directas utilizando átomos ultrafríos. Los investigadores esperan que las nuevas cuasipartículas, que simulan fotones que interactúan fuertemente en materiales y dispositivos pero que superan algunos desafíos subyacentes, beneficien el mayor desarrollo de las plataformas QIST preparadas para transformar la tecnología informática y de comunicaciones.

Los resultados se detallan en un artículo publicado en Física de la naturaleza.

La investigación destaca las propiedades fundamentales del polaritón y los fenómenos multicuerpo relacionados, y abre nuevas posibilidades para los estudios de materia cuántica polarizante.

Un desafío importante fue trabajar con plataformas basadas en fotones QIST en ese momento. fotones Pueden ser portadores ideales de información cuantitativa que normalmente no interactúan entre sí. La ausencia de tales interacciones también impide el intercambio controlado de información cuantitativa entre ellos. Los científicos han encontrado una forma de evitar esto acoplando fotones con fuertes excitaciones en los materiales, formando así polaritones, un híbrido similar a una ilusión entre la luz y la materia. Por lo tanto, las colisiones entre cuasipartículas pesadas hacen posible que los fotones interactúen de manera efectiva. Esto podría conducir a la implementación de operaciones de puertas cuánticas basadas en fotones y, en última instancia, a la implementación de una infraestructura QIST completa.

Sin embargo, un desafío importante es la vida útil limitada de estos polaritones basados ​​en fotones debido a su acoplamiento radiativo con el medio ambiente, lo que conduce a una decoherencia y decaimiento espontáneos descontrolados.

Según Schnebel y sus colegas, su investigación publicada sobre polariton supera por completo las limitaciones causadas por la disolución espontánea. Los lados de fotones de sus polaritones se transmiten completamente por ondas de materia atómica, para las cuales no hay procesos de descomposición no deseados. Esta función abre el acceso a sistemas de parámetros no alcanzados o subalcanzados anteriormente en sistemas de polarización basados ​​en fotones.

«El desarrollo de la mecánica cuántica ha dominado el siglo pasado, y ahora está en marcha una ‘segunda revolución cuántica’ hacia el desarrollo de QIST y sus aplicaciones en todo el mundo, incluso en empresas como IBM, Google y Amazon», dice Schnebel, un profesor de la Facultad de Ciencias y Artes de Física y Astronomía. «Nuestro trabajo destaca algunos de los efectos mecánicos cuánticos fundamentales de interés en los sistemas cuánticos fotónicos emergentes de QIST que van desde nanoestructuras semiconductoras hasta circuitos. electrodinámica cuántica. «

Los investigadores de Stony Brook realizaron sus experimentos utilizando una plataforma única partículas frías en celosía óptica, un paisaje potencial similar a una caja de huevos compuesto por ondas de luz estacionarias. Usando un dispositivo de desgasificación personalizado que cuenta con láseres y diferentes campos de control y opera en nanokelvins, implementaron un escenario en el que los átomos atrapados en la red «desgastan» nubes de excitaciones de vacío hechas de ondas efímeras de materia frágil.

El equipo descubrió, como resultado, que las partículas polarizadas se vuelven más móviles. Los investigadores pudieron investigar directamente sus propios estructura interna Al agitar suavemente la red, se accede así a las contribuciones de ondas de materia y excitaciones de la red atómica. Cuando se dejan solos, los polaritones de ondas de materia saltan a través de la red, interactúan entre sí y forman fases estacionarias de cuasi-partículas de materia.

«Con nuestro experimento, realizamos una simulación cuántica de un excitón-polaritón en un nuevo sistema», explica Schnebel. «La búsqueda de tales simulaciones ‘analógicas’, que además son ‘analógicas’ en el sentido de que los parámetros relevantes se pueden ordenar libremente, es en sí misma una tendencia importante dentro de QIST».

La investigación de Stony Brook incluyó a los estudiantes graduados Junhyuk Kwon (actualmente un posdoctorado en el Laboratorio Nacional Sandia), Yongshin Kim y Alfonso Lanuza.