Настраиваемая фононная связь в экситонных квантовых излучателях
Исследователи из Вашингтонского университета выяснили, что могут обнаруживать атомное «дыхание» или механическую вибрацию между двумя слоями атомов, наблюдая за типом света, излучаемого этими атомами при стимуляции лазером. Звук этого атомного «дыхания» может помочь исследователям кодировать и передавать квантовую информацию. Учёные также разработали устройство, которое может служить новым типом строительного блока для квантовых технологий, и будет иметь много будущих применений в таких областях, как вычисления, связь и разработка датчиков. Исследователи опубликовали эти выводы 1 июня в журнале Nature Nanotechnology.
«Это новая платформа атомарного масштаба, использующая то, что научное сообщество называет «оптомеханикой», в которой световые и механические движения неразрывно связаны друг с другом», — сказал старший автор Мо Ли, профессор UW в области электротехники, вычислительной техники и физики. . «Он обеспечивает новый тип квантового эффекта, который можно использовать для управления одиночными фотонами, проходящими через интегральные оптические схемы, для многих приложений».
Ранее команда изучала квазичастицу квантового уровня под названием « экситон ». Информация может быть закодирована в экситон, а затем высвобождена в виде фотона — крошечной частицы энергии, которая считается квантовой единицей света. Квантовые свойства каждого излучаемого фотона, такие как поляризация фотона, длина волны и/или время испускания, могут функционировать как квантовый бит информации или «кубит» для квантовых вычислений и связи. И поскольку этот кубит переносится фотоном, он движется со скоростью света.
«Взгляд на это исследование с высоты птичьего полета заключается в том, что для того, чтобы иметь квантовую сеть, нам нужны способы надежного создания, работы, хранения и передачи кубитов», — сказала ведущий автор Адина Рипин, докторант физики Университета Вашингтона. «Фотоны — естественный выбор для передачи этой квантовой информации, потому что оптические волокна позволяют нам транспортировать фотоны на большие расстояния на высоких скоростях с низкими потерями энергии или информации».
Исследователи работали с экситонами, чтобы создать один излучатель фотонов, или «квантовый излучатель», который является критическим компонентом квантовых технологий, основанных на свете и оптике. Для этого команда поместила два тонких слоя атомов вольфрама и селена, известных как диселенид вольфрама, друг на друга.
Когда исследователи применили точный импульс лазерного света, они выбили электрон атома диселенида вольфрама от ядра, что привело к образованию экситонной квазичастицы. Каждый экситон состоял из отрицательно заряженного электрона на одном слое диселенида вольфрама и положительно заряженной дырки на месте, где раньше находился электрон, на другом слое. А поскольку противоположные заряды притягиваются друг к другу, электрон и дырка в каждом экситоне были тесно связаны друг с другом. Через короткое время, когда электрон упал обратно в дыру, которую он ранее занимал, экситон испустил один фотон, закодированный квантовой информацией, создав квантовый излучатель, который команда стремилась создать.
Но команда обнаружила, что атомы диселенида вольфрама испускают другой тип квазичастиц, известный как фонон. Фононы являются продуктом атомной вибрации, похожей на дыхание. Здесь два атомных слоя диселенида вольфрама действовали как крошечные барабанные пластины, вибрирующие относительно друг друга, которые генерировали фононы. Это первый раз, когда фононы наблюдались в одном излучателе фотонов в двумерной атомной системе такого типа.
Когда исследователи измерили спектр излучаемого света, они заметили несколько пиков, расположенных на равном расстоянии друг от друга. Каждый отдельный фотон, испускаемый экситоном, был связан с одним или несколькими фононами. Это чем-то похоже на восхождение по лестнице квантовой энергии по одной ступени за раз, и на спектре эти энергетические всплески были визуально представлены пиками, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга.
«Фонон — это естественная квантовая вибрация материала диселенида вольфрама, и он имеет эффект вертикального растяжения экситонной электронно-дырочной пары, находящейся в двух слоях», — сказал Ли, который также является членом руководящего комитета. QuantumX Университета Вашингтона и является преподавателем Института наноинженерных систем. «Это оказывает удивительно сильное влияние на оптические свойства фотона, испускаемого экситоном, о чем раньше никогда не сообщалось».
Исследователям было любопытно, смогут ли они использовать фононы для квантовых технологий. Они приложили электрическое напряжение и увидели, что могут изменять энергию взаимодействия связанных фононов и испускаемых фотонов. Эти вариации можно было измерить и контролировать способами, связанными с кодированием квантовой информации в одно фотонное излучение, и все это было достигнуто в одной интегрированной системе — устройстве, в котором участвовало лишь небольшое количество атомов.
Затем команда планирует построить волновод — волокна на чипе, которые улавливают излучение отдельных фотонов и направляют их туда, куда им нужно, — а затем расширяют систему. Вместо того чтобы одновременно управлять только одним квантовым излучателем, команда хочет иметь возможность управлять несколькими излучателями и связанными с ними фононными состояниями. Это позволит квантовым излучателям «разговаривать» друг с другом, что станет шагом к созданию прочной основы для квантовой схемы.
«Наша главная цель — создать интегрированную систему с квантовыми излучателями, которая может использовать отдельные фотоны, проходящие через оптические схемы, и недавно открытые фононы для выполнения квантовых вычислений и квантового восприятия», — сказал Ли. «Это достижение, безусловно, будет способствовать этим усилиям и поможет дальнейшему развитию квантовых вычислений, которые в будущем будут иметь множество приложений».
Другими соавторами являются Руомин Пэн, Сяовэй Чжан, Шриватса Чакраварти, Минхао Хэ, Сяодун Сюй, Кай-Мэй Фу и Тинг Цао.
