Os cientistas relatam a formação de polaritons de onda de matéria em uma rede óptica, uma descoberta experimental que permite estudos de um paradigma central de ciência e tecnologia quântica por meio de simulação quântica direta usando átomos ultrafrios.
Descoberta de polaritons de onda de matéria lança nova luz sobre tecnologias quânticas fotônicas
Pesquisa publicada na revista Nature Physics fornece uma nova plataforma para a ‘segunda revolução quântica’.
O desenvolvimento de plataformas experimentais que avançam no campo da ciência e tecnologia quântica (QIST) vem com um conjunto único de vantagens e desafios comuns a qualquer tecnologia emergente. Pesquisadores da Stony Brook University, liderados por Dominik Schneble, PhD, relatam a formação de polaritons de onda de matéria em uma rede óptica, uma descoberta experimental que permite estudos de um paradigma QIST central por meio de simulação quântica direta usando átomos ultrafrios. Os cientistas projetam que suas novas quasipartículas, que imitam fótons que interagem fortemente em materiais e dispositivos, mas contornam alguns dos desafios inerentes, beneficiarão o desenvolvimento de plataformas QIST que estão prontas para revolucionar a tecnologia de computação e comunicação.
Os resultados da pesquisa são detalhados em um artigo publicado na revista Natureza Física.
O estudo lança luz sobre as propriedades fundamentais do polariton e fenômenos de muitos corpos relacionados, e abre novas possibilidades para estudos da matéria quântica polaritônica.
Um desafio importante ao trabalhar com plataformas QIST baseadas em fótons é que, embora os fótons possam ser portadores ideais de informações quânticas, eles normalmente não interagem entre si. A ausência de tais interações também inibe a troca controlada de informações quânticas entre eles. Os cientistas encontraram uma maneira de contornar isso acoplando os fótons a excitações mais pesadas em materiais, formando assim polaritons, híbridos semelhantes a quimeras entre luz e matéria. As colisões entre essas quasipartículas mais pesadas tornam possível que os fótons interajam efetivamente. Isso pode permitir a implementação de operações de portas quânticas baseadas em fótons e, eventualmente, de toda uma infraestrutura QIST.
No entanto, um grande desafio é o tempo de vida limitado desses polaritons baseados em fótons devido ao seu acoplamento radiativo ao ambiente, o que leva ao decaimento e decoerência espontâneos descontrolados.
Uma representação artística dos resultados da pesquisa no estudo do polariton mostra os átomos em uma rede óptica formando uma fase isolante (esquerda); átomos se transformando em polaritons onda-matéria via acoplamento a vácuo mediado por radiação de micro-ondas representada pela cor verde (centro); polaritons tornando-se móveis e formando uma fase superfluida para forte acoplamento a vácuo (direita). Crédito: Alfonso Lanuza/Schneble Lab/Stony Brook University.
De acordo com Schneble e colegas, sua pesquisa publicada sobre o polariton contorna completamente essas limitações causadas pelo decaimento espontâneo. Os aspectos de fótons de seus polaritões são inteiramente transportados por ondas de matéria atômica, para as quais esses processos de decaimento indesejados não existem. Esse recurso abre o acesso a regimes de parâmetros que não são, ou ainda não, acessíveis em sistemas polaritônicos baseados em fótons.
“O desenvolvimento da mecânica quântica dominou o século passado, e uma ‘segunda revolução quântica’ em direção ao desenvolvimento do QIST e suas aplicações está em andamento em todo o mundo, inclusive em corporações como IBM, Google e Amazon”, diz Schneble, Professor do Departamento de Física e Astronomia da Faculdade de Artes e Ciências. “Nosso trabalho destaca alguns efeitos fundamentais da mecânica quântica que são de interesse para sistemas quânticos fotônicos emergentes no QIST, desde a nanofotônica de semicondutores até a eletrodinâmica quântica de circuitos”.
Os pesquisadores de Stony Brook conduziram seus experimentos com uma plataforma com átomos ultrafrios em uma rede óptica, uma paisagem potencial semelhante a uma caixa de ovo formada por ondas estacionárias de luz. Usando um aparelho de vácuo dedicado com vários lasers e campos de controle e operando em temperatura nanokelvin, eles implementaram um cenário no qual os átomos presos na treliça “se vestem” com nuvens de excitações de vácuo feitas de ondas de matéria frágil e evanescente.
A equipe descobriu que, como resultado, as partículas polaritônicas se tornam muito mais móveis. Os pesquisadores foram capazes de sondar diretamente sua estrutura interna agitando suavemente a rede, acessando assim as contribuições das ondas de matéria e a excitação da rede atômica. Quando deixados sozinhos, os polaritons de onda de matéria saltam através da rede, interagem uns com os outros e formam fases estáveis de matéria quasipartícula.
“Com nosso experimento, realizamos uma simulação quântica de um sistema exciton-polariton em um novo regime”, explica Schneble. “A busca para realizar tais simulações ‘analógicas’, que além disso são ‘analógicas’ no sentido de que os parâmetros relevantes podem ser discados livremente, por si só constitui uma direção importante dentro do QIST.”
Referência: “Formation of matter-wave polaritons in an Optic Lattice” por Joonhyuk Kwon, Youngshin Kim, Alfonso Lanuza e Dominik Schneble, 31 de março de 2022, Natureza Física.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
A pesquisa de Stony Brook incluiu os estudantes de pós-graduação Joonhyuk Kwon (atualmente um pós-doutorado no Sandia National Laboratory), Youngshin Kim e Alfonso Lanuza.
O trabalho foi financiado pela National Science Foundation (concessão # NSF PHY-1912546) com fundos adicionais do SUNY Center for Quantum Information Science em Long Island.
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