A ‘respiração’ entre os átomos – um novo bloco de construção para a tecnologia quântica – ScienceDaily

Os pesquisadores também desenvolveram um dispositivo que pode servir como um novo tipo de bloco de construção para tecnologias quânticas, que são amplamente esperadas para ter muitas aplicações futuras em campos como computação, comunicações e desenvolvimento de sensores.

Os pesquisadores publicaram essas descobertas em 1º de junho em Natureza Nanotecnologia.

“Esta é uma nova plataforma em escala atômica, usando o que a comunidade científica chama de ‘optomecânica’, na qual a luz e os movimentos mecânicos são intrinsecamente acoplados”, disse o autor sênior Mo Li, professor de física e engenharia elétrica e de computação da UW. . “Ele fornece um novo tipo de efeito quântico envolvido que pode ser utilizado para controlar fótons únicos que passam por circuitos ópticos integrados para muitas aplicações”.

Anteriormente, a equipe havia estudado uma quasipartícula de nível quântico chamada “exciton”. A informação pode ser codificada em um exciton e depois liberada na forma de um fóton – uma pequena partícula de energia considerada a unidade quântica da luz. As propriedades quânticas de cada fóton emitido – como a polarização do fóton, comprimento de onda e/ou tempo de emissão – podem funcionar como um bit quântico de informação, ou “qubit”, para computação e comunicação quântica. E como esse qubit é transportado por um fóton, ele viaja na velocidade da luz.

“A visão panorâmica desta pesquisa é que, para ter uma rede quântica viável, precisamos ter maneiras de criar, operar, armazenar e transmitir qubits de maneira confiável”, disse a principal autora Adina Ripin, estudante de doutorado em física da UW. “Os fótons são uma escolha natural para transmitir essa informação quântica porque as fibras ópticas nos permitem transportar fótons por longas distâncias em alta velocidade, com baixas perdas de energia ou informação”.

Os pesquisadores estavam trabalhando com excitons para criar um único emissor de fótons, ou “emissor quântico”, que é um componente crítico para tecnologias quânticas baseadas em luz e óptica. Para fazer isso, a equipe colocou duas camadas finas de átomos de tungstênio e selênio, conhecidas como disseleneto de tungstênio, uma sobre a outra.

Quando os pesquisadores aplicaram um pulso preciso de luz laser, eles afastaram um elétron do átomo de disseleneto de tungstênio do núcleo, o que gerou uma quasipartícula de éxciton. Cada exciton consistia em um elétron carregado negativamente em uma camada do disseleneto de tungstênio e um buraco carregado positivamente onde o elétron costumava estar na outra camada. E como as cargas opostas se atraem, o elétron e o buraco em cada exciton estavam fortemente ligados um ao outro. Após um breve momento, quando o elétron caiu de volta no buraco que ocupava anteriormente, o exciton emitiu um único fóton codificado com informação quântica – produzindo o emissor quântico que a equipe procurou criar.

Mas a equipe descobriu que os átomos de disseleneto de tungstênio emitiam outro tipo de quasipartícula, conhecida como fônon. Os fônons são um produto da vibração atômica, que é semelhante à respiração. Aqui, as duas camadas atômicas do disseleneto de tungstênio agiam como minúsculas peles de tambor vibrando uma em relação à outra, o que gerava fônons. Esta é a primeira vez que fônons foram observados em um único emissor de fótons neste tipo de sistema atômico bidimensional.

Quando os pesquisadores mediram o espectro da luz emitida, notaram vários picos igualmente espaçados. Cada fóton emitido por um exciton foi acoplado a um ou mais fônons. Isso é semelhante a subir uma escada de energia quântica um degrau por vez e, no espectro, esses picos de energia foram representados visualmente pelos picos igualmente espaçados.

“Um fônon é a vibração quântica natural do material de disseleneto de tungstênio e tem o efeito de esticar verticalmente o par elétron-buraco exciton localizado nas duas camadas”, disse Li, que também é membro do comitê diretor do QuantumX da UW e membro do corpo docente do Institute for Nano-Engineered Systems. “Isso tem um efeito notavelmente forte nas propriedades ópticas do fóton emitido pelo exciton que nunca foi relatado antes.”

Os pesquisadores estavam curiosos para saber se poderiam aproveitar os fônons para a tecnologia quântica. Eles aplicaram tensão elétrica e viram que podiam variar a energia de interação dos fônons associados e dos fótons emitidos. Essas variações eram mensuráveis ​​e controláveis ​​de maneiras relevantes para codificar informações quânticas em uma única emissão de fótons. E tudo isso foi realizado em um sistema integrado – um dispositivo que envolvia apenas um pequeno número de átomos.

Em seguida, a equipe planeja construir um guia de ondas – fibras em um chip que capturam emissões de fótons individuais e as direcionam para onde precisam ir – e então ampliar o sistema. Em vez de controlar apenas um emissor quântico por vez, a equipe deseja controlar vários emissores e seus estados de fônon associados. Isso permitirá que os emissores quânticos “conversem” entre si, um passo para a construção de uma base sólida para circuitos quânticos.

“Nosso objetivo geral é criar um sistema integrado com emissores quânticos que possam usar fótons únicos passando por circuitos ópticos e os fônons recém-descobertos para fazer computação quântica e detecção quântica”, disse Li. “Esse avanço certamente contribuirá para esse esforço e ajudará a desenvolver ainda mais a computação quântica que, no futuro, terá muitas aplicações”.