Naukowcy opracowali sposób budowy "kwantowych metamateriałów" - ściśle zaprojektowanych atomowych struktur które nie występują w przyrodzie a które mają niespotykane, egzotyczne właściwości. Aby tego dokonać chcą zbudować sztuczny kryształ z bardzo zimnych uwięzionych laserowo atomów.
Laser stanowiący pułapkę, koncept art.
Duże w nowym oknie >>
Nowe badanie którego autorami są naukowcy z Departamentu Energii Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) może stanowić podstawy sporego postępu w dziedzinie manipulowania atomami, przekazywania im informacji, wykonywania za ich pomocą skomplikowanych symulacji, czy choćby budowy nowych potężnych czujników. Naukowcy w swojej pracy proponują stworzenie pewnego rodzaju laserowego szkieletu który będzie w stanie uwięzić konkretne pakiety atomów w konkretnym miejscu, tworząc ściśle zaprojektowaną, kontrolowaną strukturę. Taka struktura oparta o światło, przypomina kryształy występujące naturalnie, z jedną różnicą, jest praktycznie doskonała, nie występują w niej wady obserwowane w naturalnych materiałach.
Naukowcy wierzą, że będą mogli nie tylko ściśle kontrolować położenie grup atomów w swoim "świetlnym krysztale", ale także za pomocą innego lasera (bliskiej podczerwieni) będą mogli aktywnie wpływać na zachowanie poszczególnych atomów, na przykład zmuszając je do wypromieniowania określonej energii na żądanie, choćby jednego fotonu.
Ten jeden foton wypromieniowany z jednego miejsca w krysztale będzie mógł wpływać na atom uwięziony w innym, będzie to swego rodzaju prosta wymiana informacji, coś jak w zabawie z dwoma kubkami połączonym sznurkiem, umożliwiającymi rozmowę.
"Nasze badania są bardzo znaczące"
, mówi Xiang Zhang, dyrektor Berkeley Lab, główny autor publikacji która ukazała się w kwietniowym wydaniu Physical Review Letters.
"Wiemy, że wzmocnienie i ultra szybka kontrola emisji pojedynczego fotonu jest kluczową kwestią jeśli chodzi o technologie kwantowe, w szczególności kwantowe przetwarzanie informacji. A to jest dokładnie to co udało nam się osiągnąć. Poprzednie badania wykazywały możliwość wzmocnienia lub kontroli, a nam po raz pierwszy udało się uzyskać wzmocnienie i kontrolę jednocześnie."
"Teraz mamy kontrolę nad prędkością uwalniania fotonu, więc możemy optycznie przetwarzać informacje znacznie szybciej i skuteczniej przenosić je z jednego punktu do drugiego."
Mówi współautor pracy Pankaj K. Jha.
Zdolność do szybkiego kontrolowanego uwalniania fotonu i jego transmisji z niskimi stratami z jednego atomu do drugiego jest istotnym etapem przetwarzania informacji dla obliczeń kwantowych. Można wyobrazić sobie użycie macierzy tego tupu kontrolowanych fotonów do przenoszenia, wykonywania bardzo skomplikowanych obliczeń, znacznie szybciej niż jest to możliwe przy użyciu obecnych komputerów.
Niestałe rozmieszczenie schłodzonych atomów w sztucznym krysztale to klucz do tego najnowszego badania, powiedział Jha."To stwarza znaczącą różnicę w tworzeniu doskonale bezstratnych, rekonfigurowalnych kwantowych materiałów"
,dodaje. Możliwość aby sztuczny laserowy kryształ zmieniał swoją geometrię od otwartej (hiperbolicznej) do zamkniętej (eliptycznej) z bardzo dużą częstotliwością w dramatyczny sposób zmienia szybkość z jaką próbka atomów w krysztale jest w stanie wyemitować foton.
Badania sugerują, że metoda o której mowa, może przyspieszyć częstotliwość emisji fotonu z atomów sztucznego kryształu z nanosekund, lub bilionowych szczęści sekundy, do pikosekund inaczej miliardowych części sekundy. Ten proces jest również ważny ze względu na wspomnianą bez stratność, polega ona na tym, że fotony w laserowym krysztale nie powinny tracić energii oddając ją do otaczającej struktury, jak ma to miejsce w naturalnych materiałach. To likwiduje jedną z przeszkód na drodze do kwantowych komputerów, kwantowego przetwarzania informacji.
Atomy osadzone w sztucznym krysztale, same również mogłyby przeskakiwać z jednego miejsca do innego. W tym przypadku, one same stałyby się nośnikiem informacji w kwantowym komputerze albo mogłyby stworzyć kwantowy czujnik, mówi Jha.
Jha zauważa, że najnowsze badania łączą metamateriały z fizyką wysoce schłodzonych laserowo atomów. Mówi,"To połączenie rozwiązuje wiele bardzo trudnych problemów metamateriałów, w kilku kluczowych aspektach dotyczących technologii kwantowych jest bezkonkurencyjne."
Naukowcy odkryli, że do ich celów idealnie nadają się atomu Rubidu, jednak atomy Baru, Wapnia lub Cezu również mogą być uwięzione w sztucznym laserowym krysztale, gdyż wykazują podobne poziomy energii. Obecnie sztuczny kryształ użyty w badaniach opisywany jest jako jednowymiarowy, Jha mówi, że to samo podejście może łatwo posłużyć do stworzenia 2 i 3-uj wymiarowych kwantowych metamateriałów o strukturze kryształu.
Aby wykonać proponowany metamateriał w realnym doświadczeniu, zespół naukowy będzie potrzebował uwięzić kilka atomów w sztucznej sieci krystalicznej, utrzymać je w niej nawet kiedy zostaną one pobudzone do wyższych stanów energetyczny.
Zhang mówi,"Berkeley Lab jest liderem w przełomowych badaniach nad metamateriałami a ta praca może otworzyć nowe możliwość poznania kwantowych oddziaływań między materią a światłem, z przyszłymi zastosowaniami w informatyce kwantowej."
Jha dodaje,"Wierzymy, że połączenie tych dwóch sfer współczesnej nauki przyczyni się do rozwiązania kluczowych wyzwań w obu tych dziedzinach, otworzy zupełnie nowy kierunek badań na styku fotoniki kwantowej i tworzyw sztucznych."
Źródło:
phys.org
Orginalny Artykuł:
DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.165502
Pankaj K. Jha et al, Coherence-Driven Topological Transition in Quantum Metamaterials, Physical Review Letters (2016).
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz