Uusi rakennuspalikka kvanttiteknologialle

Äskettäin Washingtonin yliopiston tutkimusryhmä havaitsi, että he pystyivät havaitsemaan atomien "hengityksen" eli kahden atomikerroksen välisen mekaanisen värähtelyn, tarkkailemalla valon tyyppiä, jota atomit säteilevät, kun niitä stimuloidaan laserilla.

"Tämä on uusi, atomimittakaavainen alusta, jossa käytetään tiedeyhteisön "optomekaniikaksi" kutsumaa alustaa, jossa valot ja mekaaniset liikkeet kytkeytyvät olennaisesti yhteen, professori Mo Li sanoo yliopistonsa tiedotteessa. "Se tarjoaa uudentyyppisen kvanttiefektin, jota voidaan käyttää ohjaamaan yksittäisiä fotoneja, jotka kulkevat integroitujen optisten piirien kautta moniin sovelluksiin."

Aikaisemmin ryhmä oli tutkinut kvanttitason kvasihiukkasta eli eksitoneja. Informaatio voidaan koodata eksitoniksi ja vapauttaa sitten fotonin muodossa.

Jokaisen emittoidun fotonin kvanttiominaisuudet – kuten fotonin polarisaatio, aallonpituus ja/tai emission ajoitus – voivat toimia kvanttibittinä eli "kubittina" kvanttilaskentaa ja viestintää varten. Ja koska tätä kubittia kuljettaa fotoni, se kulkee valon nopeudella.

Eksitoneja tutkijat tuottivat volframidiselenidikerrosista rakennetun fotoniemitterien eli "kvanttisäteilijöiden" kvanttipisteissä.

Tutkimuksensa edetessä havaittiin, että volframidiselenidiatomit säteilevät muutakin kuin fotoneja ja eksitoneja. Ne tuottivat myös fononeja. Tässä yhteydessä fononit syntyivät volframidiselenidin kahden atomikerroksen välisestä värähdyksestä. Yleisesti ottaen fononeja voidaan pitää kvanttitason ääniaaltoina, jotka ovat käsitteellisesti samanlaisia kuin fotonit, jotka ovat kvantisoituja valoaaltoja.

Tämä oli ensimmäinen kerta, kun fononeja on koskaan havaittu yhdessä fotonisäteilijässä kaksiulotteisessa atomijärjestelmässä. Kun ryhmä mittasi ja tutki säteilevän valon spektriä, he huomasivat useita kiehtovia ja tasaisin välein olevia huippuja.

Löytö inspiroi ryhmää ideoimaan fononien valjastamisen kvanttiteknologiaan. Havaittiin, että sähköjännitteen avulla voi vaihdella fononien ja emittoivien fotonien vuorovaikutusenergiaa.

Nämä vaihtelut olivat mitattavissa ja hallittavissa tavoilla, jotka ovat olennaisia kvantti-informaation koodaamisessa yhdeksi fotoniemissioksi. Ja tämä kaikki saavutettiin yhdessä integroidussa järjestelmässä - laitteessa, joka sisälsi vain pienen määrän atomeja.

"Minusta on kiehtovaa, että pystyimme havaitsemaan uudenlaisen hybridi-kvanttialustan", sanoo Ruoming Peng. "Tutkimalla tapaa, jolla fononit ovat vuorovaikutuksessa kvanttisäteilijöiden kanssa, löysimme kokonaan uuden kentän kvanttitilojen ohjaamiseen ja manipulointiin. Tämä voi johtaa vieläkin jännittävämpiin löytöihin tulevaisuudessa."

Tutkimusryhmän seuraaviin vaiheisiin kuuluu aaltoputken rakentaminen ja järjestelmän skaalaamista. Sen sijaan, että ohjattaisiin vain yhtä kvanttisäteilijää kerrallaan, tiimi haluaa pystyä ohjaamaan useita emittereitä ja niihin liittyviä fononitiloja. Tämä mahdollistaa kvanttilähettäjien "puhumisen" toisilleen ja rakentaa siten vankan perustan kvanttipiireille.

"Yleinen tavoitteemme on luoda integroitu järjestelmä kvanttiemittereillä, jotka voivat käyttää yksittäisiä fotoneja, jotka kulkevat optisten piirien läpi sekä äskettäin löydettyjä fononeja kvanttilaskentaan ja kvanttitunnistukseen", Li visioi. "Tämä edistys varmasti edistää tätä työtä ja auttaa edelleen kehittämään kvanttilaskentaa, jolla on tulevaisuudessa monia sovelluksia."

Aiheesta aiemmin:

Viritettäviä valovasteita ja pintoja