Naukowcy zatrzymują atomy i zmuszają je do działania jak tranzystory fotonowe

Naukowcom z Uniwersytetu Purdue udało się uwięzić atomy alkaliczne (cez) w zintegrowanym obwodzie fotonicznym, który zachowuje się jak tranzystor dla fotonów (najmniejsza jednostka energii światła), podobnie jak tranzystory elektroniczne. Te uwięzione atomy demonstrują możliwość zbudowania sieci kwantowej opartej na nanofotonicznych układach scalonych z zimnych atomów.

Zespół kierowany przez Chena Longhonga, profesora nadzwyczajnego fizyki i astronomii w College of Science na Uniwersytecie Purdue, Opublikowali swoje odkrycie W Przegląd fizyczny.

„Opracowaliśmy technologię wykorzystania laserów do chłodzenia atomów i ich szczelnego uwięzienia w nanofotonicznym układzie scalonym, w którym światło rozchodzi się w maleńkim „drucie” fotonicznym, a dokładniej w światłowodzie ponad 200 razy cieńszym od ludzkiego włosa ”, wyjaśnia Hong, który jest także członkiem Instytutu Purdue Institute for Quantum Science and Engineering.

„Atomy te zamarzają w temperaturze ujemnej 459,67 stopnia Fahrenheita, czyli 0,00002 stopnia powyżej zera absolutnego, która jest zasadniczo stacjonarna. W tej zimnej temperaturze atomy mogą zostać wychwycone przez „wiązkę atraktora” skierowaną na falę fotonową i umieszczoną nad nią. w odległości znacznie krótszej niż długość fali światła, około 300 nanometrów, czyli mniej więcej wielkości wirusa. W tej odległości atomy mogą bardzo skutecznie oddziaływać z fotonami uwięzionymi w fali fotonowej.

„Korzystając z najnowszych narzędzi do nanofabrykacji w Burke Nanotechnology Center, kształtujemy falę fotonową w okrągły kształt o średnicy około 30 mikronów (trzy razy mniej niż ludzki włos), tworząc tak zwany rezonator mikropierścieniowy” – dodaje Hong. „Światło obraca się wewnątrz rezonatora mikropierścieniowego i oddziałuje z uwięzionymi atomami.

Kluczowym aspektem funkcji zademonstrowanej przez zespół w tych badaniach jest to, że ten malutki rezonator przymocowany do atomu działa jak „tranzystor” dla fotonów. Mogą wykorzystać te uwięzione atomy do zablokowania przepływu światła przez obwód. Jeśli atomy są w odpowiednim stanie, fotony mogą przemieszczać się po obwodzie. Fotony są całkowicie blokowane, jeśli atomy znajdują się w innym stanie. Im silniejsze atomy oddziałują z fotonami, tym skuteczniejsza staje się ta bramka.

„Udało nam się uwięzić do 70 atomów, które mogą łącznie łączyć się z fotonami i kontrolować ich transmisję w zintegrowanym chipie fotonicznym” – mówi Xinchao Zhou, absolwent Wydziału Fizyki i Astronomii Purdue. „Nigdy wcześniej nie udało się to osiągnąć. ” Zhu otrzymał także tegoroczne stypendium na rozprawę doktorską Belsand.

Cały zespół badawczy pracuje na Uniwersytecie Purdue w West Lafayette w stanie Indiana. Hong pełnił funkcję głównego badacza i nadzorował projekt. Zhou przeprowadził eksperyment, aby uwięzić atomy w układzie scalonym, który został zaprojektowany i wyprodukowany we własnym zakresie przez Tzu-Han Changa, byłego badacza ze stopniem doktora, który obecnie współpracuje z profesorem Sunilem Bhave w Burke Center for Nanotechnology. Kluczowe części eksperymentu przygotowali Cho i Hikaru Tamura, były pracownik naukowy ze stopniem doktora w Purdue w czasie prowadzenia badań, a obecnie adiunkt w Instytucie Nauk Molekularnych w Japonii.

„Nasza technologia, którą szczegółowo opisujemy w artykule, pozwala nam bardzo efektywnie chłodzić wiele atomów w zintegrowanym obwodzie fotonicznym za pomocą lasera” – mówi Zhou fala fotonowa.”

„Jest to unikalne rozwiązanie w naszym systemie, ponieważ wszystkie atomy są podobne i nie do odróżnienia, więc mogą wiązać się ze światłem w ten sam sposób i budować spójność fazową, umożliwiając atomom zbiorową, silniejszą interakcję ze światłem. Wyobraź sobie tylko łódź poruszającą się szybciej, gdy wszystko wioślarze wiosłują łodzią”. „W porównaniu z ruchem asynchronicznym” – mówi Hong.

„Z drugiej strony emitery półprzewodnikowe zawarte w obwodzie fotonicznym nie są prawie „takie same” ze względu na niewielką różnicę w otaczającym środowisku wpływającą na każdy emiter. Dla wielu emiterów półprzewodnikowych niezwykle trudno jest zbudować spójność fazową i zbiorową interakcję z fotonami Podobnie jak zimne atomy, możemy wykorzystać zimne atomy uwięzione w obwodzie do badania nowych efektów zbiorowych” – kontynuuje Hong.

Platforma zaprezentowana w tych badaniach może zapewnić łącze fotoniczne dla przyszłych rozproszonych obliczeń kwantowych opartych na neutralnych atomach. Może również służyć jako nowa platforma eksperymentalna do badania zbiorowych interakcji między światłem i materią oraz syntezy gazów lub ultrazimnych cząsteczek uwięzionych w rozpadzie kwantowym.

„W przeciwieństwie do tranzystorów elektronicznych używanych na co dzień, nasz fotoniczny układ scalony sprzężony z atomami działa zgodnie z zasadami superpozycji kwantowej” – wyjaśnia Hong. „Pozwala nam to manipulować informacjami kwantowymi i przechowywać je w uwięzionych atomach, które są bitami kwantowymi zwanymi kubitami. Nasz obwód może również skutecznie przenosić przechowywane informacje kwantowe na fotony, które mogą „przelatywać” przez drut fotoniczny i sieć światłowodową, aby się z nimi komunikować. inne układy scalone sprzężone z atomami lub interfejsy atom-foton.” „Nasze badania pokazują możliwość zbudowania sieci kwantowej w oparciu o nanofotoniczne układy scalone z zimnymi atomami”.

Zespół pracuje w tym obszarze badań od kilku lat i planuje intensywnie go kontynuować. Ich wcześniejsze odkrycia badawcze związane z tą pracą obejmują najnowsze przełomy, takie jak Wdrożenie metody „belki ciągnącej” w 2023 roku Wymieniając Zhou jako pierwszego autora, WUzyskanie wysokowydajnego połączenia światłowodowego z chipem fotonicznym w 2022 roku Z oczekującym wnioskiem patentowym w USA. Otworzyły się nowe kierunki badań dzięki pomyślnej demonstracji przeprowadzonej przez zespół bardzo wydajnego chłodzenia i uwięzienia atomów w obwodzie. Przyszłość tych badań rysuje się w jasnych barwach, z wieloma możliwościami do zbadania.

„Jest wiele obiecujących kolejnych kroków do zbadania” – mówi Hong. „Możemy ułożyć uwięzione atomy w uporządkowanym rzędzie wzdłuż falowodu fotonicznego. Atomy te mogą wspólnie wiązać się z falowodem poprzez konstruktywną interferencję, ale nie mogą emitować fotonów do otaczającej wolnej przestrzeni ponieważ destrukcyjna interferencja Naszym celem jest zbudowanie pierwszej platformy nanofotonicznej umożliwiającej osiągnięcie tak zwanego „promieniowania selektywnego”, które teoretycy proponują w ostatnich latach w celu poprawy precyzji przechowywania fotonów w układzie kwantowym.

„Możemy także próbować tworzyć nowe stany materii kwantowej w fotonicznym układzie scalonym, aby badać fizykę kilku i wielu ciał za pomocą interakcji atom-foton. Możemy schłodzić atomy do temperatury bliższej zera absolutnego, aby osiągnąć rozpad kwantowy, dzięki czemu uwięzione atomy mogą tworzyć gaz oddziałujących kondensatów Bosego-Einsteina. „Możemy również spróbować wytworzyć zimne cząsteczki z uwięzionych atomów, stosując ulepszone sprzężenie radiacyjne z rezonatora mikropierścieniowego”.