Naukowcy z University of Washington odkryli, że mogą wykryć „oddychanie” atomów lub mechaniczne wibracje między dwiema warstwami atomów, obserwując rodzaj światła emitowanego przez te atomy, gdy są stymulowane przez laser. Dźwięk tego atomowego „oddechu” może pomóc naukowcom w kodowaniu i przesyłaniu informacji kwantowych.
Naukowcy opracowali również urządzenie, które może służyć jako nowy rodzaj elementów konstrukcyjnych technologii kwantowych, co do których powszechnie oczekuje się, że będą miały wiele przyszłych zastosowań w takich dziedzinach, jak informatyka, komunikacja i rozwój czujników.
Naukowcy opublikowali te odkrycia 1 czerwca w Nature Nanotechnology.
„Jest to nowa platforma w skali atomowej, wykorzystująca to, co społeczność naukowa nazywa„ optomechaniką ”, w której ruchy światła i mechaniki są ze sobą nierozerwalnie połączone” – powiedział starszy autor Mo Li, profesor UW w dziedzinie inżynierii elektrycznej i komputerowej oraz fizyki . „Zapewnia nowy rodzaj zaangażowanego efektu kwantowego, który można wykorzystać do kontrolowania pojedynczych fotonów przechodzących przez zintegrowane obwody optyczne w wielu zastosowaniach”.
Wcześniej zespół badał kwazicząstkę na poziomie kwantowym zwaną „ekscytonem”. Informacja może zostać zakodowana w ekscytonie, a następnie uwolniona w postaci fotonu – maleńkiej cząstki energii uważanej za kwantową jednostkę światła. Kwantowe właściwości każdego emitowanego fotonu – takie jak polaryzacja fotonu, długość fali i/lub czas emisji – mogą funkcjonować jako kwantowy bit informacji lub „kubit” do obliczeń kwantowych i komunikacji. A ponieważ ten kubit jest przenoszony przez foton, porusza się z prędkością światła.
„Patrząc na te badania z lotu ptaka, aby mieć sieć kwantową, musimy mieć sposoby niezawodnego tworzenia, obsługiwania, przechowywania i przesyłania kubitów” – powiedziała główna autorka Adina Ripin, doktorantka fizyki UW. „Fotony są naturalnym wyborem do przesyłania tych informacji kwantowych, ponieważ światłowody umożliwiają nam transport fotonów na duże odległości z dużą prędkością, przy niewielkich stratach energii lub informacji”.
Naukowcy pracowali z ekscytonami w celu stworzenia emitera pojedynczego fotonu lub „emitera kwantowego”, który jest kluczowym elementem technologii kwantowych opartych na świetle i optyce. W tym celu zespół umieścił dwie cienkie warstwy atomów wolframu i selenu, znane jako diselenek wolframu, jedna na drugiej.
Kiedy naukowcy zastosowali precyzyjny impuls światła laserowego, wytrącili elektron atomu diselenku wolframu z jądra, co wygenerowało kwazicząstkę ekscytonu. Każdy ekscyton składał się z ujemnie naładowanego elektronu na jednej warstwie diselenku wolframu i dodatnio naładowanej dziury, w której znajdował się elektron na drugiej warstwie. A ponieważ przeciwne ładunki się przyciągają, elektron i dziura w każdym ekscytonie były ze sobą ściśle związane. Po krótkiej chwili, gdy elektron opadł z powrotem do zajmowanej wcześniej dziury, ekscyton wyemitował pojedynczy foton zakodowany w informacji kwantowej – tworząc emiter kwantowy, który zespół chciał stworzyć.
Jednak zespół odkrył, że atomy diselenku wolframu emitują inny rodzaj kwazicząstki, znany jako fonon. Fonony są produktem drgań atomowych, które są podobne do oddychania. Tutaj dwie warstwy atomowe diselenku wolframu zachowywały się jak maleńkie naciągi bębnów wibrujące względem siebie, co generowało fonony. Po raz pierwszy zaobserwowano fonony w pojedynczym emiterze fotonów w tego typu dwuwymiarowym układzie atomowym.
Kiedy naukowcy zmierzyli widmo emitowanego światła, zauważyli kilka równo rozmieszczonych pików. Każdy pojedynczy foton emitowany przez ekscyton był sprzężony z jednym lub większą liczbą fononów. Jest to trochę podobne do wspinania się po drabinie energii kwantowej, jeden szczebel na raz, a w widmie te skoki energii były wizualnie reprezentowane przez równomiernie rozmieszczone piki.
„Fonon to naturalna wibracja kwantowa materiału z diselenku wolframu, która powoduje pionowe rozciąganie pary elektron-dziura ekscytonu znajdującej się w dwóch warstwach” – powiedział Li, który jest również członkiem komitetu sterującego ds. QuantumX UW i jest członkiem wydziału Instytutu Systemów Nanoinżynieryjnych. „Ma to niezwykle silny wpływ na właściwości optyczne fotonu emitowanego przez ekscyton, który nigdy wcześniej nie był zgłaszany”.
Naukowcy byli ciekawi, czy uda im się wykorzystać fonony w technologii kwantowej. Zastosowali napięcie elektryczne i zobaczyli, że mogą zmieniać energię interakcji powiązanych fononów i emitowanych fotonów. Zmiany te były mierzalne i kontrolowane w sposób odpowiedni do kodowania informacji kwantowych w pojedynczej emisji fotonu. A wszystko to osiągnięto w jednym zintegrowanym systemie – urządzeniu, które obejmowało tylko niewielką liczbę atomów.
Następnie zespół planuje zbudować falowód – włókna na chipie, które przechwytują emisje pojedynczych fotonów i kierują je tam, gdzie powinny – a następnie zwiększyć skalę systemu. Zamiast kontrolować tylko jeden emiter kwantowy na raz, zespół chce mieć możliwość kontrolowania wielu emiterów i powiązanych z nimi stanów fononów. Umożliwi to emiterom kwantowym „rozmawianie” ze sobą, co jest krokiem w kierunku zbudowania solidnej podstawy dla obwodów kwantowych.
„Naszym nadrzędnym celem jest stworzenie zintegrowanego systemu z emiterami kwantowymi, które mogą wykorzystywać pojedyncze fotony przechodzące przez obwody optyczne i nowo odkryte fonony do obliczeń kwantowych i wykrywania kwantowego” – powiedział Li. „Ten postęp z pewnością przyczyni się do tych wysiłków i pomoże w dalszym rozwoju komputerów kwantowych, które w przyszłości będą miały wiele zastosowań”.