Schéma expérimental et formation de polaritons. Crédit :Physique de la nature (2022). DOI :10.1038/s41567-022-01565-4
Le développement de plateformes expérimentales qui font progresser le domaine de la science et de la technologie quantiques (QIST) s'accompagne d'un ensemble unique d'avantages et de défis communs à toute technologie émergente. Des chercheurs de l'Université de Stony Brook, dirigés par Dominik Schneble, Ph.D., rapportent la formation de polaritons d'ondes de matière dans un réseau optique, une découverte expérimentale qui permet d'étudier un paradigme QIST central par simulation quantique directe à l'aide d'atomes ultrafroids. Les chercheurs prévoient que leurs nouvelles quasi-particules, qui imitent les photons en forte interaction dans les matériaux et les dispositifs mais contournent certains des défis inhérents, bénéficieront au développement ultérieur des plates-formes QIST qui sont sur le point de transformer les technologies informatiques et de communication.
Les résultats sont détaillés dans un article publié dans Nature Physics .
La recherche met en lumière les propriétés fondamentales du polariton et les phénomènes à plusieurs corps associés, et ouvre de nouvelles possibilités pour l'étude de la matière quantique polaritonique.
Un défi important dans le travail avec les plates-formes QIST basées sur les photons est que si les photons peuvent être des vecteurs idéaux d'informations quantiques, ils n'interagissent normalement pas les uns avec les autres. L'absence de telles interactions inhibe également l'échange contrôlé d'informations quantiques entre eux. Les scientifiques ont trouvé un moyen de contourner ce problème en couplant les photons à des excitations plus lourdes dans les matériaux, formant ainsi des polaritons, des hybrides semblables à des chimères entre la lumière et la matière. Les collisions entre ces quasi-particules plus lourdes permettent alors aux photons d'interagir efficacement. Cela peut permettre la mise en œuvre d'opérations de portes quantiques basées sur les photons et éventuellement d'une infrastructure QIST complète.
Cependant, un défi majeur est la durée de vie limitée de ces polaritons à base de photons en raison de leur couplage radiatif à l'environnement, ce qui entraîne une désintégration spontanée et une décohérence incontrôlées.
Un rendu artistique des résultats de la recherche dans l'étude des polaritons montre les atomes d'un réseau optique formant une phase isolante (à gauche) ; les atomes se transformant en polaritons d'onde de matière via un couplage sous vide médié par un rayonnement micro-onde représenté par la couleur verte (au centre) ; les polaritons deviennent mobiles et forment une phase superfluide pour un fort couplage du vide (à droite). Crédit :Alfonso Lanuza/Schneble Lab/Stony Brook University.
Selon Schneble et ses collègues, leurs recherches publiées sur le polariton contournent complètement ces limitations causées par la désintégration spontanée. Les aspects photoniques de leurs polaritons sont entièrement portés par des ondes de matière atomique, pour lesquelles de tels processus de désintégration indésirables n'existent pas. Cette fonctionnalité ouvre l'accès à des régimes de paramètres qui ne sont pas, ou pas encore, accessibles dans les systèmes polaritoniques à base de photons.
"Le développement de la mécanique quantique a dominé le siècle dernier, et une" deuxième révolution quantique "vers le développement de QIST et de ses applications est maintenant bien engagée dans le monde entier, y compris dans des sociétés telles qu'IBM, Google et Amazon", déclare Schneble, professeur au Département de physique et d'astronomie du Collège des arts et des sciences. "Notre travail met en évidence certains effets fondamentaux de la mécanique quantique qui présentent un intérêt pour les systèmes quantiques photoniques émergents dans QIST, allant de la nanophotonique des semi-conducteurs à l'électrodynamique quantique des circuits."
Les chercheurs de Stony Brook ont mené leurs expériences avec une plate-forme comportant des atomes ultrafroids dans un réseau optique, un paysage potentiel en forme de caisse à œufs formé par des ondes de lumière stationnaires. À l'aide d'un appareil à vide dédié comprenant divers lasers et champs de contrôle et fonctionnant à une température nanokelvin, ils ont mis en œuvre un scénario dans lequel les atomes piégés dans le réseau "s'habillent" de nuages d'excitations de vide constitués d'ondes de matière fragiles et évanescentes.
L'équipe a découvert que, par conséquent, les particules polaritoniques deviennent beaucoup plus mobiles. Les chercheurs ont pu sonder directement leur structure interne en secouant doucement le réseau, accédant ainsi aux contributions des ondes de matière et à l'excitation du réseau atomique. Lorsqu'ils sont laissés seuls, les polaritons des ondes de matière sautent à travers le réseau, interagissent les uns avec les autres et forment des phases stables de matière quasi-particulaire.
"Avec notre expérience, nous avons effectué une simulation quantique d'un système exciton-polariton dans un nouveau régime", explique Schneble. "La recherche de telles simulations "analogiques", qui sont en outre "analogiques" dans le sens où les paramètres pertinents peuvent être librement composés, constitue en soi une direction importante au sein de QIST."
La recherche de Stony Brook comprenait les étudiants diplômés Joonhyuk Kwon (actuellement postdoctorant au Sandia National Laboratory), Youngshin Kim et Alfonso Lanuza. Interactions améliorées grâce à un fort couplage lumière-matière
