Wissenschaftler entdecken den Atem zwischen Atomen

Ruoming Peng/Universität Washington

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Forscher der University of Washington haben die mechanische Schwingung zwischen zwei Atomschichten (die Atemzüge der Atome) entdeckt, indem sie die Art von Licht beobachteten, das diese Atome aussendeten, wenn sie durch einen Laser stimuliert wurden.

Dies geht aus einer am Freitag veröffentlichten Pressemitteilung der Institution hervor.

Diese neue Entwicklung könnte zu einer neuen Methode für das Quantencomputing führen. Tatsächlich haben die Forscher bereits ein Gerät entwickelt, das als neuartiger Baustein für Quantentechnologien dienen könnte.

„Dies ist eine neue Plattform im atomaren Maßstab, die das nutzt, was die wissenschaftliche Gemeinschaft ‚Optomechanik‘ nennt, bei der Licht und mechanische Bewegungen intrinsisch miteinander gekoppelt sind“, sagte der leitende Autor Mo Li, Professor für Elektrotechnik, Computertechnik und Physik an der UW .

„Es bietet eine neue Art von beteiligtem Quanteneffekt, der für viele Anwendungen zur Steuerung einzelner Photonen genutzt werden kann, die durch integrierte optische Schaltkreise laufen.“

Die neue Studie baut auf früheren Arbeiten auf, die ein Quasiteilchen auf Quantenebene namens „Exziton“ untersuchten. Informationen können in ein Exziton kodiert und dann in Form eines Photons freigesetzt werden, dessen Quanteneigenschaften als Quanteninformationsbit oder „Qubit“ mit Lichtgeschwindigkeit fungieren können.

„Die Vogelperspektive dieser Forschung zeigt, dass wir, um ein Quantennetzwerk realisierbar zu machen, Möglichkeiten haben müssen, Qubits zuverlässig zu erzeugen, zu bearbeiten, zu speichern und zu übertragen“, sagte Hauptautorin Adina Ripin, eine Doktorandin der Physik an der UW.

„Photonen sind eine natürliche Wahl für die Übertragung dieser Quanteninformationen, da optische Fasern es uns ermöglichen, Photonen mit hoher Geschwindigkeit und geringen Energie- oder Informationsverlusten über große Entfernungen zu transportieren.“

Als nächstes beschlossen die Forscher zu testen, ob sie Phononen mithilfe elektrischer Spannung für die Quantentechnologie nutzbar machen könnten. Sie fanden heraus, dass sie die Wechselwirkungsenergie der zugehörigen Phononen auf messbare und kontrollierbare Weise und in einem einzigen integrierten System variieren konnten.

Als nächstes wollte das Team in der Lage sein, mehrere Emitter und die damit verbundenen Phononenzustände zu steuern, ein Schritt zum Aufbau einer soliden Basis für Quantenschaltkreise.

„Unser übergeordnetes Ziel ist es, ein integriertes System mit Quantenemittern zu schaffen, das einzelne Photonen, die durch optische Schaltkreise laufen, und die neu entdeckten Phononen für Quantencomputer und Quantensensorik nutzen kann“, sagte Li in der Erklärung.

„Dieser Fortschritt wird sicherlich zu diesen Bemühungen beitragen und dazu beitragen, Quantencomputer weiterzuentwickeln, die in Zukunft viele Anwendungen haben werden.“

Die Studie wurde in Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Studienzusammenfassung:

Die Entwicklung der Kopplung zwischen fundamentalen Quantenanregungen ist das Herzstück der Quantenwissenschaft und -technologie. Ein herausragender Fall ist die Schaffung von Quantenlichtquellen, bei denen die Kopplung zwischen einzelnen Photonen und Phononen kontrolliert und genutzt werden kann, um die Übertragung von Quanteninformationen zu ermöglichen. Hier berichten wir über die deterministische Erzeugung von Quantenemittern mit hochgradig einstellbarer Kopplung zwischen Exzitonen und Phononen. Die Quantenemitter werden in spannungsinduzierten Quantenpunkten gebildet, die in der Homobischicht WSe2 erzeugt werden. Die Kolokalisierung von quantenbeschränkten Zwischenschicht-Exzitonen und Terahertz-Zwischenschicht-Atmungsmodus-Phononen, die die Exzitonenenergie direkt moduliert, führt zu einer einzigartig starken Phononenkopplung zur Einzelphotonenemission mit einem Huang-Rhys-Faktor von bis zu 6,3. Das Einzelphotonenspektrum der Zwischenschicht-Exzitonenemission weist eine Einzelphotonenreinheit von >83 % und mehrere Phononenrepliken auf, die jeweils die Entstehung eines Phononen-Fock-Zustands im Quantenemitter ankündigen. Aufgrund des vertikalen Dipolmoments des Zwischenschicht-Exzitons ist die Phonon-Photon-Wechselwirkung elektrisch so einstellbar, dass sie höher ist als die Exziton- und Phonon-Dekohärenzrate und verspricht daher, den Bereich der starken Kopplung zu erreichen. Unser Ergebnis zeigt ein exzitonisch-optomechanisches Festkörper-Quantensystem an der Atomschnittstelle der WSe2-Doppelschicht, das fliegende photonische Qubits emittiert, die mit stationären Phononen gekoppelt sind und für die Quantentransduktion und -verbindung genutzt werden könnten.