"Disanje" atoma - novi način prenošenja kvantnih informacija

Foto: nicolas ploton / Alamy / Alamy / Profimedia

Istraživači sa Univerziteta Vašington otkrili su da mogu da otkriju "disanje" atoma, ili mehaničke vibracije između dva sloja atoma, posmatrajući tip svetlosti koji odašilju ovi atomi kad su stimulisani laserom, piše ScienceDaily.

Zvuk ovog atomskog "daha" mogao bi da pomogne naučnicima da enkodiraju i prenose kvantne informacije.

Preporučujemo

Istraživači su razvili i uređaj koji bi mogao da posluži kao novi tip gradivnog bloka za kvantne tehnologije, za koje se smatra da će imati mnoge vidove primene u oblastima kao što su računarstvo, komunikacije i razvoj senzora. Ova istraživanja su objavljena 1. juna u magazinu "Nature Nanotechnology".

- Ovo je nova platforma, na nivou atoma, i koristi ono što se u naučnoj zajednici zove "optomehanika", u kojoj se svetlo i mehanički pokreti intrinsično sjedinjuju zajedno - kaže autor Mo Li, profesor kompjuterskog inženjeringa i fizike. - Ona pruža novi tip kvantnog efekta koji se može iskoristiti da se kontrolišu pojedinačni fotoni koji prolaze kroz integrisana optička kola, i ovo može da se primeni na razne načine.

Pre ovoga, ovaj tim je na kvantnom nivou izučavao kvazičesticu zvanu "eksajton". Informacija može da se enkodira u eksajton i zatim da se otpusti u formi fotona - male čestice energije za koju se smatra da je kvantna jedinica svetla. Kvantne osobine svakog emitovanog fotona - kao što su njegova polarizacija, talasna dužina i/ili vreme emisije - mogu funkcionisati kao kvantni bit informacije - ili qubit - za kvantno računanje i komunikaciju. A zbog činjenice da ovaj qubit nosi foton - on putuje brzinom svetlosti.

- Pogled odozgo na ovo istraživanje je da, ako želimo da imamo kvantnu mrežu, moramo da imamo načine da na pouzdan način stvaramo, operišemo i skladištimo te odašiljemo qubite - rekao je autor Adina Ripin. - Fotoni su prirodni izbor za odašiljanje ovih kvantnih informacija jer optička vlakna omogućuju da transportujemo fotone na velike udaljenosti velikim brzinama, sa minimalnim gubitkom energije ili informacije.

Istraživači su radili sa eksajtonima kako bi stvorili emiter jednog fotona, ili "kvantni emitger", koji je ključna komponenta za kvantnu tehnologiju zasnovanu na svetlu i optici. Kako bi uradili ovo, članovi tima su postavili dva tanka sloja atoma tungstena i selena, poznat kao tungsten diselenid, jedan na drugi.

Kad su istraživači primenili precizni puls laserske svetlosti, izbacili su elektron atoma tungsten diselenida daleko od jezgra, što je stvorilo kvazičesticu eksajton. Svaki eksajton se sastojao od negativno naelektrisanog elektrona na jednom sloju tungsten diselenida i pozitivno naelektrisane rupe, na mestu gde je elektron bio, na drugom sloju. I zbog toga što se suprotna naelektrisanja privlače, elektron i rupa u svakom eksajtonu su bili blisko vezani jedno za drugo. Posle kratkog vremena, kako se elektron vratio u rupu na lokaciji u kojoj se prethodno nalazio, eksajton je emitovao jedan foton enkodiran sa kvantnim informacijama, producirajući kvantni emiter koji je tim želeo da napravi.

Ali tim je otkrio da su atomi tungsten diselenida emitovali drugu vrstu kvazičestice, poznatu kao fonon. Fononi su proizvod atomske vibracije, koja je slična disanju. Ovde, dva atomska sloja tungsten diselenida su se ponašala kao dve majušne opne bubnja koje su vibrirale u odnosu jedna na drugu, što je stvorilo fonone. Ovo je prvi put da su fononi uočeni kod emitera jednog fotona u ovom tipu dvodimenzionalnog atomskog sistema.

Kada su istraživači izmerili spektar emitovene svetlosti, primetili su nekoliko ravnomerno raspoređenih vrhova. Svaki pojedinačni foton koji je emitovao eksajton je bio uvezan sa jednim ili više fonona. Ovo je nešto nalik penjanju uz stepenice kvantne energije po jedan stepenik, i na spektrumu, ovi energetski vrhunci su vizuelno bili predstavljeni ravnomerno razdvojenim vrhuncima.

- Fonon je prirodna kvantna vibracija materijala tungsten diselenid, i ima efekat vertikalnog razvlačenja eksajtona para elektron-rupa koji se nalazi u dva sloja - rekao je Li, koji je i član Instituta za Nano-inženjerisane sisteme. - Ovo ima neobično jak efekat na optičke osobine fotona koji emituje eksajton i nikad ranije nije prijavljeno.

Istraživače je zanimalo mogu li da kontrolišu fonone za kvantnu tehnologiju. Primenili su električni napon i videli su da mogu da menjaju energiju interakcije povezanih fonona i emitovanih fotona. Ove varijacije su bile izmerive i podložne kontroli, na načine relevantne za enkodiranje kvantnih informacija u jednu emisiju fotona. A ovo sve je postignuto u jednom integrisanom sistemu - uređaju koji ima samo mali broj atoma.

Tim sada planira da napravi "vodič talasa", vlakna na čipu koja hvataju jednu emisiju fotona i usmeravaju je tamo gde je potrebno da ode, te da onda povećaju ceo sistem. Umesto kontrolisanja jednog kvantnog emitera, tim želi da bude u mogućnosti da kontroliše u isto vreme više kvantnih emitera i s njima povezana stanja fonona. Ovo će omogućiti kvantnim emiterima da "razgovaraju" jedni s drugima što je korak napred ka izgradnji kvantnog kola.

- Naš cilj je da stvorimo integrisani sistem sa kvantnim emiterima koji može da koristi pojedinačne fotone koji se kreću kroz optičke vodove i novootkrivene fonone za kvantno računanje i kvantno senzorisanje - rekao je Li. - Ovaj napredak će sigurno doprineti ostvarivanju tog cilja, i pomoći će nam da dalje razvijamo kvantne kompjutere, koji će u budućnosti imati mnoge primene.

(Telegraf Nauka/Science Daily)