Il team dell'Università di Washington rileva il "respiro" atomico per una svolta nel calcolo quantistico

La maggior parte di noi non pensa che gli atomi abbiano le proprie vibrazioni uniche, ma le hanno.
In effetti, è una caratteristica così fondamentale per i mattoni della natura che un team di ricercatori dell'Università di Washington ha recentemente osservato e utilizzato questo fenomeno nel loro studio di ricerca.
Studiando gli atomi di luce emessi quando stimolati da un laser, sono stati in grado di rilevare le vibrazioni a volte denominate "respiro" atomico.
Il risultato è una svolta che un giorno potrebbe consentirci di costruire strumenti migliori per molti tipi di tecnologie quantistiche.
Guidati da Mo Li, professore di fotonica e nanodispositivi sia nel Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica dell'UW che nel Dipartimento di fisica dell'UW, i ricercatori hanno deciso di costruire un emettitore quantico migliore, o QE, che potesse essere incorporato nei circuiti ottici .
I QE sono una parte essenziale del toolkit della tecnologia quantistica in quanto forniscono un modo per generare singole particelle quantistiche che possono essere utilizzate come qubit.
Analogamente ai bit di informazione nell'informatica quotidiana, i qubit vengono utilizzati nell'informatica quantistica per eseguire calcoli ben oltre ciò che si può ottenere con i computer classici.
Tipicamente, un qubit è costruito da un elettrone o da un fotone a causa delle proprietà quantistiche uniche di queste particelle.
"Si tratta di una nuova piattaforma su scala atomica, che utilizza ciò che la comunità scientifica chiama 'optomeccanica', in cui i movimenti della luce e della meccanica sono intrinsecamente accoppiati insieme", ha affermato Li.
“Fornisce un nuovo tipo di effetto quantistico coinvolto che può essere utilizzato per controllare singoli fotoni che attraversano circuiti ottici integrati per molte applicazioni”.
Per costruire il loro QE, il team ha iniziato con il diseleniuro di tungsteno, una molecola composta da tungsteno e selenio.
Questo è stato formato nel più sottile dei fogli, ciascuno spesso solo un singolo atomo.
Due di questi fogli sono stati quindi sovrapposti uno sopra l'altro e posizionati su una serie di nanopilastri, larghi appena 200 nanometri.
Questo posizionamento sui nanopilastri ha causato la deformazione dei fogli nel punto di contatto, risultando in una serie di punti quantici regolarmente distanziati.
I punti quantici sono particelle semiconduttrici di pochi nanometri, con proprietà ottiche ed elettroniche uniche e sono un metodo comune per costruire QE per applicazioni quantistiche.
A causa della deformazione causata dai nanopilastri, questi sono più specificamente indicati come "punti quantici indotti dalla deformazione".
Applicando un preciso impulso di luce laser a uno dei punti quantici, un elettrone viene allontanato dal nucleo dell'atomo di diseleniuro di tungsteno.
Questo crea brevemente una quasiparticella nota come eccitone.
Questo eccitone è composto dall'elettrone caricato negativamente e dal corrispondente foro caricato positivamente nel foglio opposto.
Poiché sono fortemente legati, l'elettrone ritorna rapidamente all'atomo.
Quando lo fa, rilascia un singolo fotone codificato con informazioni quantistiche molto specifiche.
"Per avere una rete quantistica fattibile, dobbiamo avere modi per creare, operare, archiviare e trasmettere in modo affidabile i qubit", ha affermato Adina Ripin, autrice principale dell'articolo, membro del gruppo Mo Li e studentessa di dottorato nel dipartimento di fisica.
“I fotoni sono una scelta naturale per trasmettere queste informazioni quantistiche perché le fibre ottiche ci consentono di trasportare fotoni su lunghe distanze ad alta velocità, con basse perdite di energia o informazioni”.
Questo approccio ha portato alla produzione di fotoni molto coerenti e di alta qualità che potrebbero essere potenzialmente utilizzati come qubit.
Di per sé, questo renderebbe il progetto un successo.
Tuttavia, alcuni dettagli sono presto apparsi nei dati, meritando uno sguardo più approfondito.
I ricercatori hanno scoperto che nel processo di creazione di ciascun fotone veniva prodotta anche una quasiparticella chiamata fonone.
I fononi sono un fenomeno optomeccanico basato sulla vibrazione tra gli atomi e si verificano in tutta la materia.
I fononi possono essere pensati come analoghi acustici ai fotoni, con le loro forme d'onda quantistiche.
Sebbene non possiamo vederlo o sentirlo direttamente, Li dice che le vibrazioni possono essere visualizzate come il "respiro tra gli atomi".
In questo studio, i fononi sono stati generati dalla vibrazione tra i due strati sottilissimi di diseleniuro di tungsteno, che agivano come minuscole pelli di tamburo che vibravano l'una rispetto all'altra.
Il team UW ha scoperto che questi fononi erano strettamente correlati al fotone che veniva generato.
"Puoi pensare ai fononi in termini di una piccola molla attaccata agli strati", ha detto Li.
“Questa molla sta vibrando, quindi cambia direttamente il modo in cui l'elettrone e il buco possono ricombinarsi.
Per questo motivo, anche il fotone emesso cambia”.
In precedenza, i fononi non erano mai stati osservati in questo tipo di sistema a singolo emettitore di fotoni.
Inoltre, analizzando lo spettro della luce emessa, il team ha trovato picchi equidistanti che rappresentano i diversi livelli di energia quantistica del fonone.
L'analisi esperta di Ting Cao, teorico quantistico e assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali, ha rivelato che ogni singolo fotone emesso da un eccitone era accoppiato con uno, due, tre o più fononi.
"Un fonone è la vibrazione quantistica naturale del materiale diseleniuro di tungsteno e ha l'effetto di allungare verticalmente la coppia elettrone-lacuna dell'eccitone che si trova nei due strati", ha continuato Li.
"Questo ha un effetto straordinariamente forte sulle proprietà ottiche del fotone emesso dall'eccitone che non è mai stato riportato prima." Il team è stato inoltre in grado di regolare l'interazione fonone-eccitone-fotone applicando tensione elettrica attraverso i materiali.
Variando il voltaggio, hanno scoperto di poter alterare l'energia di interazione dei fononi associati e dei fotoni emessi.
Questo era controllabile in modi rilevanti per la codifica di specifiche informazioni quantistiche in un singolo fotone.
"Trovo affascinante che siamo stati in grado di osservare un nuovo tipo di piattaforma quantistica ibrida", ha affermato Ruoming Peng, anche uno dei principali autori dell'articolo, che si è laureato con il suo dottorato alla UW ECE nel 2022.
"Studiando il modo in cui i fononi interagiscono con gli emettitori quantici, abbiamo scoperto un intero nuovo regno di possibilità per il controllo e la manipolazione degli stati quantistici.
Questo potrebbe portare a scoperte ancora più entusiasmanti in futuro”.
Li e il suo team vogliono estendere ulteriormente il loro sistema, controllando più emettitori e i loro stati fononici associati.
Ciò consentirebbe agli emettitori quantistici di "parlare" tra loro, costruendo le basi per nuovi tipi di circuiti quantistici.
Le future applicazioni di questi approcci includono il calcolo quantistico, le comunicazioni quantistiche e il rilevamento quantistico.
Il team UW comprende Adina Ripin, Ruoming Peng, Xiaowei Zhang, Srivatsa Chakravarthi, Minhao He, Xiaodong Xu, Kai-Mei Fu, Ting Cao e Mo Li.
La ricerca è supportata dalla National Science Foundation.
Il loro documento di ricerca, "Tunable phononic coupling in excitonic quantum emitters" è stato recentemente pubblicato sulla rivista Nature Nanotechnology.