Tim Univerziteta u Vašingtonu otkrio atomsko „disanje“ za proboj u kvantnom računarstvu

Većina nas ne misli da atomi imaju svoje jedinstvene vibracije, ali imaju. 

Otkrivene vibracije koje se ponekad nazivaju atomsko „disanje“

U stvari, to je karakteristika koja je toliko fundamentalna za građevne blokove prirode da je tim istraživača Univerziteta u Vašingtonu nedavno primetio i koristio ovaj fenomen u svojoj istraživačkoj studiji. Proučavajući svetlosne atome emitovane kada su stimulisani laserom, bili su u stanju da otkriju vibracije koje se ponekad nazivaju atomsko „disanje“. Rezultat je proboj koji će nam jednog dana omogućiti da napravimo bolje alate za mnoge vrste kvantnih tehnologija.

Predvođeni Mo Lijem, profesorom fotonike i nano uređaja na UW Department of Electrical and Computer Engineering i UW Physics Department, istraživači su krenuli u izgradnju boljeg kvantnog emitera, ili QE, koji bi mogao biti ugrađen u optička kola. QE su suštinski deo alata za kvantne tehnologije jer obezbeđuju način za generisanje pojedinačnih kvantnih čestica koje se mogu koristiti kao kubiti. Analogno bitovima informacija u svakodnevnom računarstvu, kubiti se koriste u kvantnom računarstvu za izvođenje proračuna daleko iznad onoga što se može postići klasičnim računarima. Obično se kubit gradi od elektrona ili fotona zbog jedinstvenih kvantnih svojstava ovih čestica.

“Ovo je nova platforma atomske skale, koja koristi ono što naučna zajednica naziva ‘optomehanikom’, u kojoj su svetlost i mehanički pokreti suštinski povezani zajedno”, rekao je Li. “Pruža novi tip uključenog kvantnog efekta koji se može koristiti za kontrolu pojedinačnih fotona koji prolaze kroz integrisana optička kola za mnoge aplikacije.”

Da bi izgradio svoj QE, tim je počeo sa volfram diselenidom, molekulom sastavljenim od volframa i selena. Ovo je formirano u najtanje listove, svaki debeo samo jedan atom. Dva od ovih listova su zatim postavljena jedan na drugi i postavljena preko niza nanostubova, širokih samo 200 nanometara. Ovo postavljanje na nanostubovima izazvalo je deformaciju listova na tački kontakta, što je rezultiralo nizom pravilno raspoređenih kvantnih tačaka. Kvantne tačke su poluprovodničke čestice veličine nekoliko nanometara, koje imaju jedinstvena optička i elektronska svojstva i uobičajena su metoda za pravljenje KE za kvantne aplikacije. Zbog deformacije izazvane nanostubovima, one se preciznije nazivaju „kvantnim tačkama izazvanim naprezanjem“.

Primenom preciznog impulsa laserske svetlosti na jednu od kvantnih tačaka, elektron se odbacuje od jezgra atoma volframovog diselenida. Ovo nakratko stvara kvazičesticu poznatu kao eksciton. Ovaj eksciton se sastoji od negativno naelektrisanog elektrona i odgovarajuće pozitivno naelektrisane rupe u suprotnom sloju. Pošto su snažno vezani, elektron se brzo vraća u atom. Kada to uradi, oslobađa jedan foton kodiran sa vrlo specifičnim kvantnim informacijama. „Da bismo izvodljivo imali kvantnu mrežu, moramo da imamo načine za pouzdano kreiranje, rad, skladištenje i prenošenje kubita“, rekla je Adina Ripin, vodeći autor rada, član Mo Li grupe i doktorant u odsek za fiziku. „Fotoni su prirodan izbor za prenošenje ove kvantne informacije jer nam optička vlakna omogućavaju da prenosimo fotone na velike udaljenosti velikim brzinama, sa malim gubicima energije ili informacija”. Ovaj pristup je rezultirao proizvodnjom veoma konzistentnih, visokokvalitetnih fotona koji bi se potencijalno mogli koristiti kao kubiti. Samo po sebi, ovo bi učinilo projekat uspešnim. Međutim, u podacima su ubrzo postali očigledni određeni detalji, koji su zaslužili dublji pregled. Istraživači su otkrili da se kvazičestica zvana fonon takođe proizvodi u procesu stvaranja svakog fotona. Fononi su optomehanička pojava zasnovana na vibracijama između atoma i javljaju se u svim materijama. Fononi se mogu smatrati akustičnim analozima fotona, sa sopstvenim kvantnim talasnim oblicima. Iako ovo ne možemo direktno da vidimo ili čujemo, Li kaže da se vibracije mogu vizualizovati kao „dah između atoma“. U ovoj studiji, fononi su generisani vibracijom između dva atoma tanka sloja volfram diselenida, koji su delovali kao male glave bubnjeva koje vibriraju jedna u odnosu na drugu. Tim UW otkrio je da su ovi fononi usko povezani sa fotonom koji se generiše. „Možete zamisliti fonone u smislu male opruge pričvršćene za slojeve“, rekao je Li. „Ova opruga vibrira, tako da direktno menja način na koji se elektron i rupa mogu rekombinovati. Zbog toga se menja i foton koji se emituje.” Ranije, fononi nikada nisu primećeni u ovoj vrsti sistema sa jednim fotonskim emiterom. Štaviše, kada je analizirao spektar emitovane svetlosti, tim je pronašao jednako raspoređene vrhove koji predstavljaju različite kvantne nivoe energije fonona. Stručna analiza Ting Caoa, kvantnog teoretičara i docenta za nauku o materijalima i inženjerstvo, otkrila je da je svaki pojedinačni foton koji emituje eksciton povezan sa jednim, dva, tri ili više fonona. „Fonon je prirodna kvantna vibracija materijala volfram diselenida i ima efekat vertikalnog rastezanja para eksciton-elektron-rupa koji se nalazi u dva sloja“, nastavio je Li. “Ovo ima izuzetno snažan uticaj na optička svojstva fotona koji emituje eksciton koji nikada ranije nije prijavljen.”

Tim je dalje mogao da podesi interakciju fonon-eksciton-foton primenom električnog napona na materijale. Promenom napona, otkrili su da mogu da promene energiju interakcije povezanih fonona i emitovanih fotona. Ovo se moglo kontrolisati na načine relevantne za kodiranje specifičnih kvantnih informacija u jedan foton.

„Smatram fascinantnim što smo bili u mogućnosti da posmatramo novu vrstu hibridne kvantne platforme“, rekao je Ruoming Peng, takođe vodeći autor rada. „Proučavanjem načina na koji se fononi u interakciji sa kvantnim emiterima, otkrili smo potpuno novo područje mogućnosti za kontrolu i manipulisanje kvantnim stanjima. Ovo bi moglo dovesti do još uzbudljivijih otkrića u budućnosti.”

Li i njegov tim žele dalje da prošire svoj sistem, kontrolišući više emitera i njihova povezana stanja fonona. Ovo bi omogućilo kvantnim emiterima da “razgovaraju” jedni sa drugima, gradeći osnovu za nove vrste kvantnih kola. Buduće primene ovih pristupa uključuju kvantno računarstvo, kvantne komunikacije i kvantni sensing.

UV tim čine Adina Ripin, Ruoming Peng, Xiaowei Zhang, Srivatsa Chakravarthi, Minhao He, Xiaodong Xu, Kai-Mei Fu, Ting Cao i Mo Li. Istraživanje je podržano od strane Nacionalne naučne fondacije. Njihov istraživački rad, “Podesivo fononsko spajanje u ekscitonskim kvantnim emiterima” nedavno je objavljen u časopisu Nature Nanotechnology.

Izvor: Geekwire