Istraživači sa Univerziteta Purdue uhvatili su alkalne atome (cezijum) u integrisano fotonsko kolo, koje se ponaša kao tranzistor za fotone (najmanja energetska jedinica svetlosti) slično elektronskim tranzistorima. Ovi zarobljeni atomi pokazuju potencijal za izgradnju kvantne mreže zasnovane na integrisanim nanofotonskim krugovima hladnog atoma.
Tim, na čelu sa Chen-Lung Hungom, vanrednim profesorom fizike i astronomije na Univerzitetu Purdue Universiti College of Science, objavio je svoje otkriće u Physical Review X.
„Razvili smo tehniku da koristimo lasere za hlađenje i čvrsto hvatanje atoma na integrisanom nanofotonskom kolu, gde se svetlost širi u maloj fotonskoj ‘žici’, tačnije, talasovodu koji je više od 200 puta tanji od ljudske kose“, objašnjava Hung, koji je takođe član Purdue Kuantum Science and Engineering Institute.
„Ovi atomi su ‘zamrznuti’ na negativnih 459,67 stepeni Farenhajta, ili samo 0,00002 stepena iznad apsolutne nulte temperature, i u suštini stoje mirno. Na ovoj hladnoj temperaturi, atomi mogu biti uhvaćeni ‘traktorskim snopom’ usmerenim na fotonski talasovod i postavljeni su preko nje na udaljenosti mnogo manjoj od talasne dužine svetlosti, oko 300 nanometara ili otprilike veličine virusa. Na ovoj udaljenosti, atomi mogu veoma efikasno da komuniciraju sa fotonima zatvorenim u fotonskom talasovodu.
„Koristeći najsavremenije instrumente za nanofabrikaciju u Birck nanotehnološkom centru, mi uzorkujemo fotonski talasovod u kružnom obliku prečnika od oko 30 mikrona (tri puta manje od ljudske kose) kako bismo formirali takozvani mikroprstenasti rezonator. Svetlost bi cirkulisala unutar rezonatora mikroprstena i bila u interakciji sa zarobljenim atomima“, dodaje Hung.
Ključni aspekt funkcije koji tim demonstrira u ovom istraživanju je da ovaj rezonator mikroprstena sa atomskom spregom služi kao „tranzistor“ za fotone. Oni mogu da koriste ove zarobljene atome da otvore protok svetlosti kroz kolo. Ako su atomi u ispravnom stanju, fotoni se mogu prenositi kroz kolo. Fotoni su potpuno blokirani ako su atomi u drugom stanju. Što su atomi jači u interakciji sa fotonima, to je ova kapija efikasnija.
„Zarobili smo do 70 atoma koji bi se mogli zajedno spojiti sa fotonima i omogućiti njihov prenos na integrisanom fotonskom čipu. Ovo ranije nije bilo realizovano“, kaže Ksinchao Zhou, diplomirani student na Purdue Phisics and Astronomi. Džou je takođe dobitnik ovogodišnje Bilsandove stipendije za disertaciju.
Ceo istraživački tim je sa sedištem na Univerzitetu Purdue u Vest Lafajetu, Indijana. Hung je bio glavni istraživač i nadgledao projekat. Zhou je izveo eksperiment za hvatanje atoma na integrisanom kolu, koje je dizajnirao i proizveo Cu-Han Chang, bivši postdoktor koji sada radi sa profesorom Sunil Bhaveom u Birck nanotehnološkom centru. Kritične delove eksperimenta postavili su Džou i Hikaru Tamura, bivši postdoktor na Purdue-u u vreme istraživanja, a sada docent na Institutu za molekularne nauke u Japanu.
„Naša tehnika, koju smo detaljno opisali u radu, omogućava nam da veoma efikasno laserski ohladimo mnoge atome na integrisanom fotonskom kolu. Jednom kada su mnogi atomi zarobljeni, oni mogu zajedno da komuniciraju sa svetlošću koja se širi na fotonskom talasovodu“, kaže Džou.
„Ovo je jedinstveno za naš sistem jer su svi atomi isti i nerazlučivi, tako da bi mogli da se spoje sa svetlom na isti način i izgrade faznu koherentnost, omogućavajući atomima da komuniciraju sa svetlošću zajedno sa jačom snagom. Zamislite samo da se čamac kreće brže kada svi veslači veslaju čamac sinhronizovano u poređenju sa nesinhronizovanim kretanjem“, kaže Hung.
„Nasuprot tome, emiteri čvrstog stanja ugrađeni u fotonsko kolo teško da su ‘isti’ zbog malo drugačijeg okruženja koje utiče na svaki emiter. Mnogim emiterima čvrstog stanja je mnogo teže da izgrade faznu koherentnost i kolektivno stupaju u interakciju sa fotonima poput hladnoće atomi Mogli bismo da koristimo hladne atome zarobljene u kolu za proučavanje novih kolektivnih efekata“, nastavlja Hung.
Platforma prikazana u ovom istraživanju mogla bi da obezbedi fotonsku vezu za buduće distribuirano kvantno računarstvo zasnovano na neutralnim atomima. Takođe bi mogao da posluži kao nova eksperimentalna platforma za proučavanje kolektivnih interakcija svetlosti i materije i za sintezu kvantnih degenerisanih zarobljenih gasova ili ultrahladnih molekula.
„Za razliku od elektronskih tranzistora koji se koriste u svakodnevnom životu, naše integrisano fotonsko kolo povezano sa atomima poštuje principe kvantne superpozicije“, objašnjava Hung. „Ovo nam omogućava da manipulišemo i skladištimo kvantne informacije u zarobljenim atomima, koji su kvantni bitovi poznati kao kubiti. Naše kolo takođe može efikasno preneti uskladištene kvantne informacije u fotone koji bi mogli da ‘lete’ kroz fotonsku žicu i mrežu vlakana da komuniciraju sa drugim atomsko spregnuta integrisana kola ili atomsko-fotonski interfejsi pokazuju potencijal za izgradnju kvantne mreže zasnovane na integrisanim nanofotonskim kolima sa hladnim atomom.
Tim već nekoliko godina radi na ovoj oblasti istraživanja i planira da je nastavi energično. Njihova prošla istraživačka otkrića vezana za ovaj rad uključuju nedavna otkrića kao što je realizacija metode ‘traktorske grede’ 2023. godine u kojoj je Zhou naveden kao prvi autor, i realizacija visokoefikasnog spajanja optičkih vlakana sa fotonskim čipom 2022. godine uz čekanje SAD. patentna prijava. Novi pravci istraživanja su se otvorili zbog uspešne demonstracije atoma koji su veoma efikasno hlađeni i zarobljeni u kolu. Budućnost ovog istraživanja je svetla sa mnogim putevima za istraživanje.
„Postoji nekoliko obećavajućih sledećih koraka za istraživanje“, kaže Hung. „Mogli bismo da rasporedimo zarobljene atome u organizovani niz duž fotonskog talasovoda. Ovi atomi mogu zajedno da se spoje sa talasovodom kroz konstruktivnu interferenciju, ali ne mogu da zrače fotone u okolni slobodni prostor zbog destruktivne interferencije. Cilj nam je da izgradimo prvu nanofotonsku platformu za realizuju takozvani ‘selektivni sjaj’ koji su teoretičari predložili poslednjih godina da poboljšaju vernost skladištenja fotona u kvantnom sistemu.
„Mogli bismo takođe pokušati da formiramo nova stanja kvantne materije na integrisanom fotonskom kolu da bismo proučavali fiziku nekoliko i više tela sa interakcijama atom-foton. Mogli bismo da ohladimo atome bliže temperaturi apsolutne nule da bismo postigli kvantnu degeneraciju tako da zarobljeni atomi mogu da formiraju gas Bose-Ajnštajn kondenzata koji je u jakoj interakciji. Takođe možemo pokušati da sintetišemo hladne molekule iz zarobljenih atoma sa pojačanim radijacionim spajanjem iz rezonatora mikroprstena.“
